EP2796851A1 - Vorrichtung und Verfahren für Modellschneidversuch - Google Patents

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EP2796851A1
EP2796851A1 EP20140165908 EP14165908A EP2796851A1 EP 2796851 A1 EP2796851 A1 EP 2796851A1 EP 20140165908 EP20140165908 EP 20140165908 EP 14165908 A EP14165908 A EP 14165908A EP 2796851 A1 EP2796851 A1 EP 2796851A1
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EP
European Patent Office
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cutting
model
rock
model cutting
mounting platform
Prior art date
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Application number
EP20140165908
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English (en)
French (fr)
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EP2796851B1 (de
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Martin Entacher
Robert Galler
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Montanuniversitaet Leoben
Original Assignee
Montanuniversitaet Leoben
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21C—MINING OR QUARRYING
    • E21C39/00—Devices for testing in situ the hardness or other properties of minerals, e.g. for giving information as to the selection of suitable mining tools
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/58—Investigating machinability by cutting tools; Investigating the cutting ability of tools
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/40—Investigating hardness or rebound hardness
    • G01N3/42—Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under a steady load by indentors, e.g. sphere, pyramid
    • G01N3/46—Investigating hardness or rebound hardness by performing impressions under a steady load by indentors, e.g. sphere, pyramid the indentors performing a scratching movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/003—Generation of the force
    • G01N2203/0042—Pneumatic or hydraulic means
    • G01N2203/0048—Hydraulic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0676—Force, weight, load, energy, speed or acceleration

Definitions

  • the invention relates to a model cutting assembly, a method for performing cutting tests on a rock specimen by means of a particular hydraulic press for determining model data for modeling the process of mining mountains by means of a real cutting roll on a boring head of a tunnel boring machine, and a modeling.
  • a tunnel boring machine is a machine used to build tunnels.
  • Components of a tunnel boring machine include a demolition screen with feeding and bracing devices, facilities for the installation of support and extension measures, equipment for material removal, a supply unit (electricity, compressed air, ventilation, water), and transport equipment for excavation material, proppant and finishing materials.
  • a front boring head of a tunnel boring machine is provided with mining tools for loosening a mountain.
  • tunnel boring machines is one of the most common methods of constructing long tunnels in hard rock.
  • penetration forecast models are used, which are to predict the drillability of the mountains.
  • the most common models (for example, the Colorado School of Mines forecast model) use the uniaxial compressive and nip tensile strength of the rock to be drilled as input parameters. It is well-known that the results of these models are often far from reality. For example, in the context of research at the University of Leoben, this could be demonstrated using two types of eastern alpine rock.
  • a model cutting assembly for performing cutting tests on a rock specimen (particularly for obtaining model data for modeling the process of mining mountains using a real cutting roll - that is, a cutting roll actually used as a mining tool on a tunnel boring machine) on a drill head Tunnel boring machine), wherein the model cutting assembly comprises a particular hydraulic press, which has a mounting platform and a force measuring head, which are movable relative to each other, and a model cutting roll, the (In particular, a similar or identical structure as a real cutting role, but compared to the real cutting role has a reduced dimension, thus serving as a model for the Realschneidrolle on a smaller scale and) is designed to cut the rock specimen, the mounting platform with a receiving volume to (in particular large area contacting and) immobilized receiving the rock specimen is formed such that the rock specimen is fitted over its entire vertical extension fit into the receiving volume of the mounting platform contact, and wherein the force measuring head for mounting the model cutting roller and further formed such that when cutting the rock specimen by means of the mounted
  • a modeling apparatus for determining model data for modeling the process of mining mountains using a real cutting roll on a boring head of a tunnel boring machine
  • the modeling apparatus comprising a model cutting assembly having the above-described features for performing cutting tests by means of the model cutting roll, which has a reduced dimension relative to the real cutting roller, on a rock specimen, and having a processor formed based on one or more parameters detected by the model cutting assembly, indicative of the cutting force, and based on geometrical characteristics of the model cutting roll and the real cutting role to determine the model data.
  • Model cutting roller which has a reduced dimension compared to the real cutting roller and which is designed for cutting the rock specimen, is mounted on a force measuring head of the particular hydraulic press, the rock specimen in a receiving volume of a mounting platform of the particular hydraulic press (especially laterally large area contact and immobilized) so absorbed in that the rock specimen is snugly fitted into the mounting volume of the mounting platform along its entire vertical extension, the mounting platform and the force measuring head are moved relative to each other, so that the rock specimen is cut by means of the mounted model cutting roller, a parameter indicative of the cutting force by means of the measuring head Cutting the rock specimen is measured by means of the mounted model cutting roller, and the model data based on the measured parameter so as determined based on geometric properties of the model cutting roller and the real cutting role (possibly with additional consideration of properties
  • a cutting test is carried out on a small scale and thus on the basis of a model, which, for example, can be transferred to the large scale and thus the conditions of a tunnel boring machine by calculation or empirically.
  • a simple measuring apparatus is provided, with the important information for the tunneling (for example, achievable with a tunnel boring machine in the rock specimen similar mountains) and for the mechanical characterization of rock (especially its behavior when cutting with a cutting roller of a mining tool) won can be.
  • a measuring stand which is significantly superior to conventional geotechnical standard tests (uniaxial pressure and splitting tensile test), in particular for the penetration prognosis of a tunnel boring machine or for other drilling technology purposes, but is considerably cheaper and more practical than a large cutting test.
  • This makes it particularly possible to use specimens that are already available in the exploration phase of major projects.
  • the solution according to the invention makes it possible to carry out a model cutting test which can be constructed in a conventional (for example hydraulic) press.
  • conventional test benches can not be modularly integrated into such a particularly hydraulic press, but rather their own test stands.
  • Exemplary embodiments of the invention make it possible to carry out cutting tests on a small scale on a simple model cutting test stand, which is designed as an attachment for a standard hydraulic press, for example. This then makes it possible, for example, to determine information indicative of the advance of a tunnel boring machine by means of the model cutting measurement that has been carried out.
  • the Montanuniverstician Leoben has examined eight rock types with apparatuses according to the invention, three of which have comparative values from large-scale cutting tests. It could be shown that the results of the model cutting test correlate well with the large cutting tests, but above all better than other geotechnical characteristics.
  • the press is preferably a hydraulic press.
  • a hydraulic press is understood in particular to mean a press which is constructed from a suction and pressure pump which exerts pressure, and a piston which receives the pressure in order to transfer it to the body to be pressed. By a lever, the pump piston is lifted and the liquid (especially the hydraulic oil) of the container passes under the piston.
  • the use of a hydraulic press according to the invention is particularly preferred because it is standardized and available at low cost and is available in many laboratories and at the same time can very reliably apply the large forces required for a model cutting test.
  • the press formed as a hydraulic press may be configured such that the force measuring head faces a Laboratory system in the vertical direction, in particular by means of a hydraulic cylinder of the hydraulic press is movable and the mounting platform relative to the laboratory system is fixed in the vertical direction.
  • a hydraulic cylinder may move the force gauge down and thereby approximate the model cutting roll to the rock sample body in the mounting platform.
  • the model cutting roll may descend along a vertical surface of the rock sample body on the rock sample body.
  • the particular hydraulic press can be designed such that the force measuring head is capable of compensating movement in the horizontal plane when subjected to a lateral load. Due to the coupling between the force measuring head and the model cutting disc mounted together with the holder, a free movement of the force measuring head made possible in the horizontal plane results in the application of only vertical forces. Thereby, the measurement of the vertical contact pressure of the model disk on the rock specimen can be kept free from artifacts resulting from disturbances or forces in the horizontal plane. In other words, this allows only in the vertical direction on the model cutting roller acting rolling forces (“rolling force”) are detected in the force measuring head.
  • This measure combines a structurally simple design with a high-precision and fault-robust measurement.
  • the force measuring head can be designed to permit an exclusively uniaxial force measurement, in particular exclusively in the vertical direction.
  • a single, in the Force measuring head integrated uniaxial load cell be sufficient to capture the desired interaction characteristics between the model cutting roller and the rock specimen.
  • a detection direction of this single load cell may coincide with the vertical direction.
  • a single uniaxial load cell measuring only the rolling force of the model cutter can be sufficient.
  • the force measuring head can be designed to measure exclusively a rolling force acting on the model cutting roller mounted in a rotatable manner.
  • the knowledge of the rolling force of a model cutting roller alone allows a revealing conclusion about the conditions when cutting mountains with a real cutting role of a tunnel boring machine.
  • a forecast can be made quickly and reliably about the real conditions in a tunnel boring machine, without a large-scale measurement is required.
  • the model cutting roller may be rotatably mounted in a bearing housing on the force measuring head and have a circumferential cutting edge for cutting the rock specimen.
  • the model cutting roller is free of a motor drive that would set them in rotation, instead the model cutting roller is like a real cutting role due to the forces when cutting mountains or the rock specimen in rotation displaceable.
  • the full circular cutting edge can then act on the rock to be cut at various points. In this way, a realistic simulation of the conditions is possible with the model cutting roller, as they also prevail in a real cutting role of a tunnel boring machine.
  • the assembly of the model cutting roller in the bearing housing can be done for example by means of a ball bearing and / or a needle bearing and / or a (cone) roller bearing.
  • the model cutting roller and the bearing housing can form a unit which can be removed jointly by the force measuring head.
  • the unit of bearing housing and model cutting roller is exposed for handling by a user. This can be removed as a whole from the model cutting arrangement or used in this. This allows easy assembly and the rapid implementation of model cutting tests.
  • the model cutting roll may have a diameter in a range of between about 0.5 inches and about 5 inches, more preferably between about 1 inch and about 3 inches.
  • a real cutting roll typically has a diameter of 17 inches.
  • the scaling down to smaller sizes of a cutting roller does not fundamentally change the basic statements about the characteristic of a cutting test, but modify it only in an equally scalable and reproducible manner. As a result, the effort for the model cutting test can be reduced substantially without loss of knowledge.
  • the entire model cutting roll can be scaled down from the real cutting roll in a 1: 8 ratio. More generally, for example, the scale ratio between the model cutter roll and the real cutter roll may be in an interval between 1: 2 and 1:10.
  • the shape of model cutting roll and real cutting roll can be identical.
  • the model cutting arrangement may have a linear guiding device which guides the force measuring head such that it is movable only along exactly one, in particular vertical, linear axis predetermined by means of the linear guiding device.
  • the force measuring head including model cutting roller can be mounted on a linear rail, so that their movement is limited to the corresponding linear movement. This targeted reduction of degrees of freedom of movement in turn allows the elimination of unwanted force components and the focus on one desired force component, in particular the vertical force acting on the model cutting roller rolling force.
  • the model cutting assembly may include a penetration depth adjusting device configured to set a penetration depth of the model cutting roller into the rock specimen. Due to the relatively small dimension of the model cutting roller (compared to a real cutting roller) and in particular the rock specimen (in comparison to a mountain range), it is advantageous for a meaningful result of a model cutting test that the mechanical conditions in the cut rock are realistic in one Correspond to mountains. For this reason, the cutting test should preferably be carried out on those sections of the rock specimen that are sufficiently far away from edge regions of the rock specimen. Otherwise edge effects would falsify the measurement results. By limiting the penetration depth of the model cutting roller into the rock specimen, the penetration depth adjuster can maintain sufficient edge distances and therefore obtain artifact-free results.
  • the penetration depth adjusting device may be formed as a spacer between the mounting platform and the force measuring head.
  • the mechanical spacer the probe spaced from the model cutting role so far that an undesirably deep penetration is mechanically impossible.
  • the penetration depth adjuster may be configured to set the penetration depth in a range between about 1 mm and about 7 mm. This penetration depth is less than the penetration depth of a real cutting roller when cutting mountains, which may be 12 mm, for example.
  • the mounting platform can be designed such that in the recorded in the receiving volume state of the rock specimen whose upper-side specimen surface continuously closes with a top-side platform surface of the mounting platform directly connected thereto, forming a common surface.
  • the mounting platform can be designed such that in the recorded state in the receiving volume state of the rock specimen whose lateral, outer volume body side sampling surface with a directly connected thereto lateral platform surface of the mounting platform to form a common side surface continuously closes.
  • the constant fitting of the rock sample body in the inversely shaped receiving volume increases the accuracy of measurement. Due to the continuous transition between the specimen surface and the platform surface which adjoins it completely and without interruption, the introduction or transmission of force from the specimen on the mounting platform (or vice versa ) is very realistically modeled on the conditions in a mountain.
  • the mounting platform can be designed such that in recorded in the receiving volume state of the rock specimen whose entire underside specimen surface and / or its entire lateral, inside volume body side sample surface directly contacted a corresponding surface of the mounting platform and is immobilized on this (in particular continuous or uninterrupted) ,
  • the recorded on the mounting platform state of the rock sample body to the outside no longer visible surface of the rock sample body can be fixed over the entire surface and contact with a mating surface of the mounting platform fixed (for example, glued or cemented), which also in the interior of the composite assembly assembly platform and rock sample body no mechanical Discontinuities occur, which would interfere with the measurement on the rock sample body by way of edge effects.
  • the model cutting arrangement may comprise the rock specimen to be measured (which may thus be part of the model cutting arrangement), which is accommodated in the receiving volume of the mounting platform in an immobilized manner, so that the rock specimen is snugly fitted into the receiving volume of the mounting platform along its entire vertical extent.
  • the arrangement of the rock specimen forming part of the model cutting assembly may be as described in one or both of the preceding paragraphs.
  • rock specimen and mounting platform may collectively assume a substantially parallelepiped shape.
  • the rock sample body and the receiving volume may be mutually inverse in shape such that the rock sample body can be fitted into the receiving volume without the rock sample body received therein protruding beyond the mounting platform in any direction and instead terminating flush therewith.
  • the rock sample body may be semi-circular cylindrical. Accordingly, the receiving volume may be a semicircular cylinder-shaped cavity and in terms of its dimension on the rock sample body be adjusted. If such a semicircular cylindrical specimen body is received in a semicircular cylindrical receiving volume, curved lateral surfaces of the two semicircular cylindrical structures touch each other, whereas a flat, rectangular lateral surface of the semicircular cylindrical specimen body can form part of the outer surface of the assembly of specimen and mounting platform. On the bottom side, the rock sample body can be in full contact with the assembly platform and can also be immobilized there, for example by means of gluing or cementing.
  • the modeling assembly may include a database (stored, for example, on a storage device such as a hard disk) in which reference data sets having a correlation between measured by the model cutting assembly on reference rock specimens of a respective reference rocket for each Cutting force indicative reference parameters on the one hand and for the associated propulsion of operated with the respective real cutting roller tunnel boring machine in the respective reference mountains indicative reference parameters on the other hand included.
  • the processor eg, a microprocessor or a central processing unit, CPU
  • this data set contains, in addition to the values of a reference model cutting test, additionally assigned values of a reference real cutting test (obtained from the mining of rock whose material corresponds to the rock specimen of the reference model cutting test by means of a real cutting wheel of a tunnel boring machine), the Values of the reference real cutting test are used in order to provide a meaningful prognosis for the present model cutting test, for example with regard to achievable jacking with the tunnel boring machine.
  • the rock specimen can be obtained from a core hole on the mountain.
  • a core drilling is carried out by default, in which especially circular-cylindrical rock samples (for example with a diameter of 10 cm and a length of 20 cm) are taken. These are thus available in large quantities and with little effort.
  • such rock samples are used to perform the model cutting trial.
  • the mounting platform - and in particular the receiving volume - be configured.
  • Such rock samples may be used unmodified, or modified, for example, halved, prior to performing the model cutting test.
  • the rock specimen can be obtained as a semi-circular cylinder from the mountains.
  • the cylindrical rock sample which is obtained from the core hole, are split into two equal parts and then added to the receiving volume.
  • the rock specimen may have an extent in a range between about 5 cm and about 20 cm in at least one dimension, in particular in all dimensions, in particular in a range between about 7 cm and about 13 cm.
  • the rock specimen may have a diameter of 10 cm and a length of 9 cm. Compared to a rock sample from a core hole thus the sample stone body can be halved and cut to length.
  • the rock specimen can be cemented into the receiving volume of the mounting platform.
  • the rock specimen By cementing or gluing the rock specimen in the assembly platform without gaps, cavities or other material-free spaces between rock specimen and mounting platform, in particular if the mounting platform is made of (preferably solid) steel, the small-volume rock specimen properties are given to those in a quasi-rock correspond to infinite mountains. In other words, edge effects can be further contained or avoided, and thereby the validity of the obtained measurement results can be further improved.
  • the model cutting arrangement can be configured so that a maximum load acting on the model cutting roller does not exceed a predetermined limit. In this way, destruction of the model cutting roller or other components of the model cutting assembly can be avoided by overloading.
  • a model rock cutting test is performed by using a standardized or conventional hydraulic press, such as those used in laboratories to study the Rock mechanics is usually available, is only selectively provided with additional components.
  • Rotatable disc cutters are used to cut rock samples multiple times with the ability to adjust the penetration depth and / or penetration distance.
  • this standard standard sizes as they are already available in the early stages of tunneling projects, can be used, so that this test can also be used for predicting the performance (for example, an achievable propulsion) of the operation of the tunnel boring machine.
  • the results of the model cutting test can then be compared with linear cutting tests with real-size disc cutters and standard geotechnical values (such as uniaxial compressive strength and indirect tensile strength).
  • the modeling of a model rock cutting test can be carried out by selecting the geometry of the rock samples so that they are already available in an early phase of a tunnel project.
  • the clamping of the rock samples should lead to comparable mechanical properties or conditions, as they prevail in quasi-infinite rock. It is also possible to use a rotatable scaled or modeled disc cutter with a realistic geometry.
  • the penetration depth or penetration is very precisely adjustable. Furthermore, in addition to a load cell in a hydraulic press, no further measuring equipment is required.
  • an exemplary embodiment of the invention uses a circular cylindrical rock core with a diameter of 10 cm, which is a semicircular cylindrical Rock sample can be cut with a height of about 9 cm, since the maximum stroke of a typical hydraulic press is 10 cm.
  • the size of the scaled or modeled disc cutter can be selected to match the size of the specimen without causing cracks to the edge of the specimen.
  • a steel cutter having a hardened (eg, carbonitrided) surface that is essentially a 1: 8 model of a typical 17 inch diameter disk may be used.
  • the disc cutter can be heated and then shrunk onto a shaft which can be mounted on a combined needle / ball bearing to allow sufficient maximum load capacity and undisturbed rotation.
  • the cutter housing is then placed on a linear guide which defines a straight-line cutting path as the cutter is inserted into the test piece.
  • the sample holder or mounting platform can be a rigid steel block into which the rock sample can be cemented with a two-component epoxy resin to provide optimum clamping. It can be placed on its counterpart with bolts or the like either in a central position or with an offset to simulate interactive cutting operations with a spacing therebetween.
  • Steel spacers can be placed between sample holder and disc cutter to allow the desired depth of penetration of the cutter to be set.
  • a load may be applied via a load introduction member which may be freely movable in a horizontal direction. This can ensure that forces only act in the cutting direction.
  • Desirable penetration depths for such an apparatus may range between 1 mm and 3 mm. Therefore, for all moving parts (especially for bearings) a small amount of play may be sufficient to adversely affect results.
  • a clearance of, for example, ⁇ 0.2 mm would cause a spread in the range of ⁇ 20% if the penetration depth is 1 mm. Therefore, the choice of bearings, their manufacturing tolerances and the process of cementing the specimen in his holder with high precision to perform.
  • FIG. 1 and Fig. 2 10 show spatial views of a model cutting arrangement 10 for performing cutting tests on a semicircular cylindrical rock specimen 12 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 3 without rock specimen 12
  • Fig. 5 with rock specimen 12
  • Such cutting tests may be used to obtain model data for modeling the process of mining mountains whose material corresponds to that of the rock specimen 12 by means of a real cutting roll (which may also be called a tunnel boring machine cutting roll) Fig. 12 ) are used on a boring head of a tunnel boring machine.
  • the model cutting assembly 10 uses a model cutting roll 20 (which may, for example, have a circle diameter of 56 mm) which is shaped like a real cutting roll (which may be 17 inches in diameter, for example) used on an actual tunnel boring machine, but at a 1: 8 scale scaled down or down compared to a real cutting role.
  • a model cutting roll 20 which may, for example, have a circle diameter of 56 mm
  • a real cutting roll which may be 17 inches in diameter, for example
  • a very simple, small-dimensioned model cutting test is made possible, which allows conclusions about a cutting process of mountains by means of the real cutting role, without an actual experiment with the real cutting role on a drill head of a tunnel boring machine must be performed on the mountains.
  • the transfer of the results of the model cutting test to the conditions of a tunnel boring machine, and thus a live cutting roll, may be empirical (i.e., based on experimentally acquired data sets) and / or computational (i.e., based on mathematical and / or physical models).
  • the hydraulic press 14 contains as its two basic components a vertically (ie upwardly and downwardly) movable force measuring head 18 and a vertically immovable (ie stationary with respect to the associated coordinate) and horizontally immovable (ie in the plane perpendicular to the vertical). Mounting platform 16.
  • a model cutting roll 20 (or miniature disk) having a reduced dimension of, for example, a 1: 8 scale relative to the real cutting roll (or original disk) illustratively serves as a model for the real cutting roll and is designed to cut the rock specimen 12 if it has sufficient Driving force on the rock sample body 12 is pressed.
  • the model cutting roller 20 is mounted on the force measuring head 18.
  • the mounting platform 16 is formed as a steel mold, in which a hollow semi-cylindrical receiving volume 30 for contact-type and immobilized receiving the correspondingly shaped and dimensioned semicircular rock specimen 12 is formed.
  • the rock specimen 12 is snugly fitted along its entire vertical extent (that is, along its entire height H) into the receiving volume 30 (height L) of the mounting platform 16, as in FIG Fig. 1 and Fig. 5 shown.
  • the entire curved surface 79 of the rock specimen 12 contacts and is fixedly attached to a corresponding surface 81 of the steel mold, for example by means of cementing or gluing, so that loads introduced by the model cutting roller 20 are transferred to the steel mold. Further, a bottom surface 71 of the rock specimen 12 contacts a bottom surface 63 of the receiving volume 30.
  • the other main component of the hydraulic press 14 is the force measuring head 18, on the underside of which the model cutting roller 20 is firmly and non-positively mounted or mountable by a user.
  • the force measuring head 18 is designed such that when cutting the rock specimen 12 by means of the mounted on its underside model cutting roller 20 indicative of the cutting force parameter is detected.
  • the parameter indicative of the cutting force is the vertical force acting on the pattern cutting roll 20 during cutting. So penetrates the model cutting roller 20 by hydraulically driven shutdown of the static force measuring head 18 in Direction of the mounting platform 16 in a planar, vertically oriented and exposed surface 75 of the rock specimen 12 and thereby cuts the rock material similar to a real cutting role a tunnel boring machine cuts into degraded mountains, so detects a in Fig. 5 uniaxial load cell 40 shown the vertical rolling force.
  • the hydraulic press 14 is configured such that the force measuring head 18 is movable relative to the stationary mounting platform 16 by means of a hydraulic cylinder relative to the laboratory system in the vertical direction, i. in a direction parallel or antiparallel to the gravitational force, is movable.
  • the model cutting arrangement 10 has a linear guide 26 for defining the direction of movement of the force measuring head 18.
  • the force measuring head 18 is suspended in such a way that a compensating movement in the horizontal plane, i. in the plane perpendicular to the vertical, is possible. In the case of lateral disturbance forces, therefore, a free compensation movement of the force measuring head 18 is made possible, so that such disruptive forces have no undesired influence on the detected parameter.
  • the force measuring head 18 is designed to allow an exclusively uniaxial force measurement exclusively in the vertical direction.
  • the force measuring head 18 is designed to measure exclusively the rolling force acting on the rotatable mounted model cutting roller 20.
  • the model cutting roller 20 is rotatably mounted in a bearing housing 22 on the force measuring head 18 and has a circumferential cutting edge 24 for cutting the rock specimen 12. This is in Fig. 3 and in Fig. 5 clearly visible.
  • the model cutting roller 20 and the bearing housing 22 form a unit which can be removed jointly by the force measuring head 18.
  • the assembly of a unit of a model cutting roller 20 and an associated bearing housing 22 on the model cutting assembly 10 can be accomplished with a few simple steps. To disassemble the unit, it is sufficient, by loosening screw 44 apertures 42 of the Model cutting assembly 10 to remove and subsequently pull the unit from the model cutting assembly 10.
  • the maximum penetration depth of the model cutting roller 20 into the rock sample body 12 is limited by a spacer 28 to, for example, 7 mm by the spacer 28 due to its geometric extent a minimum distance between the mounting platform 16 and the force measuring head 18 pretends. By configuring the spacer 28, therefore, an accurate adjustment of the penetration depth is possible.
  • Fig. 1 to Fig. 5 also show that screws 51 are passed through receiving openings 53 in the mounting platform 16 to attach the mounting platform 16 to a support body 55. It is also possible to fasten screws 51 to oblong holes 57 in order to displace the rock sample body 12 along the axis of rotation of the model cutting roller 20 and thus to be able to carry out model cutting tests at different positions. In particular, the interaction of a first cutting test with a second cutting test can then be investigated.
  • FIG. 6 to FIG. 9 show how the rock sample body 12 originating from a core hole of a tunneling project is processed to make it peripherally contact-contacted and immobilized in the rock sample body 12 Fig. 4 Insert shown receiving volume 30 of the mounting platform 16 fit accurately.
  • Rock samples originating from such a core bore often have a circular cylindrical shape. For example, these may have a length of 20 cm and a diameter of 10 cm.
  • rock sample body 12 In order to make such a rock sample usable as a rock sample body 12 for the model cutting arrangement 10, it can be split into two semicircular cylindrical bodies. These can then optionally be shortened, for example to a half-circle cylinder of length 9 cm and the diameter 10 cm.
  • a correspondingly obtained rock sample body 12 is in Fig. 6 shown, with its curved lateral surface 79 and its lower deck surface 71 coated with cement are.
  • the rock sample body 12 is then, as in Fig. 7 shown, fitted in a form-fitting manner in the receiving volume 30 and fixed there rigidly by means of the hardening cement or other adhesive. Results of the procedure described are in Fig. 7 in a plan view as well as in Fig. 9 shown in a side view.
  • Fig. 8 shows the mounting platform 16 without rock sample body 12, wherein a receiving volume 30 bounding wall of the mounting platform 16 is shown coated with cement.
  • the height H of the rock sample body 12 is equal to the height L of the accommodating volume 30.
  • FIG. 12 shows a plot 300 plotted along an abscissa 302 with a measured roll rate along an ordinate 304.
  • FIG. The measurement according to Fig. 10 refers to a rock sample from Brixner granite, where the cut was made on undamaged material.
  • Fig. 11 shows a diagram 400, in which along an abscissa 302, in turn, a penetration depth or a running distance is plotted, whereas along a ordinate 304 again a measured rolling force is plotted.
  • the measurement according to Fig. 11 also refers to the Rock sample from Brixner granite, whereby a second cut on the same test specimen as according to Fig. 10 was performed.
  • Fig. 12 shows a tunnel boring machine 180 for mining a mountain 102, into which a borehole 182 has already been introduced. The drilling is performed in such a way that the borehole 182 according to FIG Fig. 12 is gradually extended to the right.
  • a tunnel boring machine 180 has a plurality of components. For the sake of clarity, is in Fig. 1 but only a drill bit 150 having a plurality of (for example, 50 to 100) mining tools 100 is shown. More specifically, the drill head 150 has a drill body 152 that is rotatable and translationally movable with respect to the mountain 102, on whose front-side or mountain-side end face a multiplicity of removal tool holders or receptacles 154 are mounted.
  • Each of the mining tool holders 154 is configured to support a respective mining tool 100.
  • a mining tool 100 may be mounted in each of the mining tool holders 154.
  • Each of the mining tools 100 includes a disc fixture 104 mountable to the wellhead 150 with a receptacle bearing for receiving and supporting a rotatable disk 106, which is also part of the excavation tool 100.
  • the disk 106 is also referred to as a real cutting roller and has a diameter of 17 inches.
  • Each disc fixture 104 has a disc receptacle 194 that may be configured as a type of pot that is specifically configured to receive a disc 106 as a replaceable module. Fixing screws 110 form further components of the disc fastening device 104.
  • a circumferential cutting edge 124 of the respective disk 106 in a rotating state can disassemble the mountain 102 on the latter attack.
  • the disk 106 is replaceably received in the receiving storage of the disc attachment device 104, or more precisely in the disc holder 194.
  • the disc 106 has an axis 120 on which a bearing and thereupon a roller body 122 with cutting ring 124 is fixed, which can roll over the rock.
  • the roller main body 122 has a circumferential cutting edge in the form of cutting ring 124, which cuts, drills or abrades the mountain 102 in the rotating state.
  • a bearing 126 of the disk 106 is configured to receive the axle 120.
  • the entire drill head 150 is driven (for example by means of an electric motor 184), the disk 106 itself follows this movement, so it only rolls off.
  • An important operating parameter for operating the tunnel boring machine 180 is its propulsive power, ie the amount of excavated rock per unit of time.
  • model cutting experiments can be used (see description of Fig. 1 to Fig. 11 ) are performed on model cutting rollers 20. From the determined rolling forces, the tunneling of the tunnel boring machine 180 can then be calculated by calculation, wherein the size ratio between the model cutting roller 20 and the real cutting roller or disc 106 is to be taken into account. Results of the model cutting test can also be used to control the tunnel boring machine 180 by means of a control unit 128.
  • FIG. 12 shows a block diagram 550 of a method of performing cutting tests on a rock specimen 12 by means of a hydraulic press 14 to obtain model data for modeling the process of mining mountains 102 by means of a real cutting roll 106 on a boring head 150 of a tunnel boring machine 180 and predicting the tunnel boring machine's propulsion 180 when mining mountains 102 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • n integer, for example, at least 10
  • tunneling projects each one Model cutting test 500 on a model cutting roller 20 of the model cutting assembly 10 (see Fig. 1 to Fig. 11 ) and an associated real measurement 502 on a real cutting roller 106 of the tunnel boring machine 180 (see Fig. 12 ) carried out.
  • a rock sample body 12 is used which is extracted from rock 102 in which the tunnel boring machine 180 performs the real measurement 502.
  • a database 54 then records 56 are stored, which are obtained from the described measurements.
  • Each of the records 56 has a pair of data.
  • the first date of each pair contains information on model disk 20, rock specimen 12, determined cutting force and penetration of the associated model cutting test 500.
  • the second date of a respective pair contains information on real disk 106, rock 102 and tunneling machine 180 propulsion.
  • a model cutting test 504 is carried out on an associated rock specimen 12 of the rock 102 to be worked on in the new tunneling project m.
  • Parameters of this model cutting test 504 are fed to a processor 52. These parameters include information on model disk 20, rock sample body 12, determined cutting force and penetration of the associated model cutting test 504.
  • the processor 52 searches the database 54 for one or more first data that best matches the parameters of the model cutting test 504. Based on this, in particular on the basis of the respective second date of the best fit first data, a prognosis 506 regarding an achievable jacking of the tunnel boring machine 150 can be made.
  • Fig. 14 shows the appearance of a vertical outer surface 75 of the rock specimen 12 after performing a model cutting test in a state cemented into the mounting platform 16. Also one horizontal top surface 71 of the rock sample body 12 is in Fig. 14 to recognize. Further, in a central portion 95 of the horizontal top surface 71 of the rock sample body 12 of FIG Fig. 14 the damage of the rock by the action of in Fig. 14 Not to be seen model cutting roller 20. A cutting direction along which the model cutting roller 20 rolls on the vertical flat outer surface 75 of the rock sample body 12 during the pattern cutting test is shown in FIG Fig. 14 denoted by reference numeral 97.

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Abstract

Modellschneidanordnung (10) zum Durchführen von Schneidversuchen an einem Gesteinsprobekörper (12), wobei die Modellschneidanordnung (10) aufweist: eine insbesondere hydraulische Presse (14), die eine Montageplattform (16) und einen Kraftmesskopf (18) aufweist, die relativ zueinander bewegbar sind; eine Modellschneidrolle (20), die zum Schneiden des Gesteinsprobekörpers (12) ausgebildet ist; wobei die Montageplattform (16) mit einem Aufnahmevolumen (30) zum immobilisierten Aufnehmen des Gesteinsprobekörpers (12) derart ausgebildet ist, dass der Gesteinsprobekörper (12) entlang seiner gesamten Vertikalerstreckung (H) passgenau in das Aufnahmevolumen (30) der Montageplattform (16) kontaktbehaftet eingepasst ist; wobei der Kraftmesskopf (18) zum Montieren der Modellschneidrolle (20) und ferner derart ausgebildet ist, dass bei Schneiden des Gesteinsprobekörpers (12) mittels der montierten Modellschneidrolle (20) ein für die Schneidkraft indikativer Parameter erfassbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Modellschneidanordnung, ein Verfahren zum Durchführen von Schneidversuchen an einem Gesteinsprobekörper mittels einer insbesondere hydraulischen Presse zum Ermitteln von Modelldaten zum Modellieren des Vorgangs des Abbaus von Gebirge mittels einer Realschneidrolle an einem Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine, und eine Modellieranordnung.
  • Eine Tunnelbohrmaschine ist eine Maschine, die zum Bau von Tunnels eingesetzt wird. Bauteile einer Tunnelbohrmaschine sind ein Abbauschild mit Vorschub- und Verspanneinrichtungen, Einrichtungen für den Einbau von Stützund Ausbaumaßnahmen, Einrichtungen zum Materialabtransport, eine Versorgungseinheit (Strom, Druckluft, Bewetterung, Wasser), und Transporteinrichtungen für Ausbruchsmaterial, Stützmittel und Ausbaumaterialien. Ein frontseitiger Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine ist mit Abbauwerkzeugen zum Lösen eines Gebirges versehen.
  • Die Verwendung von Tunnelbohrmaschinen ist eines der häufigsten Bauverfahren zum Bau langer Tunnels im Hartgestein. Zur Ermittlung der Nettovortriebsleistung dieser Maschinen werden sogenannte Penetrationsprognosemodelle verwendet, welche die Bohrbarkeit des Gebirges prognostizieren sollen. Die gängigsten Modelle (zum Beispiel Prognosemodell der Colorado School of Mines) verwenden als Eingangsparameter die einachsiale Druck- und Spaltzugfestigkeit des zu bohrenden Gesteins. Es ist bekannt, dass die Ergebnisse dieser Modelle oftmals weit von der Realität entfernt sind, im Rahmen der Forschungstätigkeit an der Montanuniversität Leoben konnte das zum Beispiel anhand zweier ostalpiner Gesteinsarten nachgewiesen werden.
  • Neben der Verwendung von geotechnischen Standardversuchen (einachsialer Druck- und Spaltzugversuch) gibt es die Möglichkeit, die Nettovortriebsleistung einer Tunnelbohrmaschine anhand von großmaßstäblichen Schneidversuchen zu prognostizieren. Der erste Prüfstand dieser Art wurde an der Colorado School of Mines in den 70er Jahren gebaut, zwischenzeitlich gibt es ca. zehn Großschneidversuchsstände weltweit. Die Schneidbarkeitsprognose anhand von Großschneidversuchen wird allgemein als zuverlässige Methode der Penetrationsprognose angesehen. Das Problem ist, dass die Versuche teuer und zeitaufwändig sind und Gesteinsblöcke in einer Größe benötigt, wie sie in der Erkundungsphase des Tunnels nicht vorliegen. Für eine echte frühzeitige Prognose ist der Versuch somit nicht wirklich geeignet.
  • Weitere herkömmliche Schneidanordnungen zum Messen von Abbaueigenschaften eines Abbauwerkzeuges im Gestein sind in US 5,670,711 oder in Bilgin, N., Balci, C., Tumac D., Feridunoglu, C., Copur, H., 2010, "Development of a Portable Rock Cutting Rig for Rock Cuttability Determination", Proc. European Rock Mechanics Symposium (EUROCK 2010), Lausanne, Schweiz, 15.-18. Juni 2010, pp. 405-408 offenbart. Allerdings sind diese Messstände aufwändig und erlauben nicht in jedem Fall die präzise Erfassung realistischer Parameter.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Modellschneidversuche an Gesteinsproben mit geringem Aufwand und hoher Präzision durchzuführen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Modellschneidanordnung zum Durchführen von Schneidversuchen an einem Gesteinsprobekörper (insbesondere zum Ermitteln von Modelldaten zum Modellieren des Vorgangs des Abbaus von Gebirge mittels einer Realschneidrolle - das heißt eine real an einer Tunnelbohrmaschine als Abbauwerkzeug verwendbare Schneidrolle - an einem Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine) geschaffen, wobei die Modellschneidanordnung eine insbesondere hydraulische Presse, die eine Montageplattform und einen Kraftmesskopf aufweist, die relativ zueinander bewegbar sind, und eine Modellschneidrolle aufweist, die (insbesondere einen ähnlichen oder identischen Aufbau wie eine Realschneidrolle, aber gegenüber der Realschneidrolle eine verringerte Dimension aufweist, somit als Modell für die Realschneidrolle in kleinerem Maßstab dient und die) zum Schneiden des Gesteinsprobekörpers ausgebildet ist, wobei die Montageplattform mit einem Aufnahmevolumen zum (insbesondere großflächig kontaktbehafteten und) immobilisierten Aufnehmen des Gesteinsprobekörpers derart ausgebildet ist, dass der Gesteinsprobekörper entlang seiner gesamten Vertikalerstreckung passgenau in das Aufnahmevolumen der Montageplattform kontaktbehaftet eingepasst ist, und wobei der Kraftmesskopf zum Montieren der Modellschneidrolle und ferner derart ausgebildet ist, dass bei Schneiden des Gesteinsprobekörpers mittels der montierten Modellschneidrolle ein für die Schneidkraft indikativer Parameter erfassbar ist.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine Modellieranordnung zum Ermitteln von Modelldaten zum Modellieren des Vorgangs des Abbaus von Gebirge mittels einer Realschneidrolle an einem Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine bereitgestellt, wobei die Modellieranordnung eine Modellschneidanordnung mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Durchführen von Schneidversuchen mittels der Modellschneidrolle, die gegenüber der Realschneidrolle eine verringerte Dimension aufweist, an einem Gesteinsprobekörper, und einen Prozessor aufweist, der ausgebildet ist, basierend auf einem oder mehreren mittels der Modellschneidanordnung erfassten/m, für die Schneidkraft indikativen Parameter(n) sowie basierend auf geometrischen Eigenschaften der Modellschneidrolle und der Realschneidrolle die Modelldaten zu ermitteln.
  • Gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Durchführen von Schneidversuchen an einem Gesteinsprobekörper mittels einer insbesondere hydraulischen Presse zum Ermitteln von Modelldaten zum Modellieren des Vorgangs des Abbaus von Gebirge mittels einer Realschneidrolle an einem Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine geschaffen, wobei bei dem Verfahren eine Modellschneidrolle, die gegenüber der Realschneidrolle eine verringerte Dimension aufweist und die zum Schneiden des Gesteinsprobekörpers ausgebildet ist, an einem Kraftmesskopf der insbesondere hydraulischen Presse montiert wird, der Gesteinsprobekörper in einem Aufnahmevolumen einer Montageplattform der insbesondere hydraulischen Presse (insbesondere seitlich großflächig kontaktbehaftet und) immobilisiert derart aufgenommen wird, dass der Gesteinsprobekörper entlang seiner gesamten Vertikalerstreckung passgenau in das Aufnahmevolumen der Montageplattform kontaktbehaftet eingepasst ist, die Montageplattform und der Kraftmesskopf relativ zueinander bewegt werden, so dass der Gesteinsprobekörper mittels der montierten Modellschneidrolle geschnitten wird, ein für die Schneidkraft indikativer Parameter mittels des Messkopfs beim Schneiden des Gesteinsprobekörpers mittels der montierten Modellschneidrolle gemessen wird, und die Modelldaten basierend auf dem gemessenen Parameter sowie basierend auf geometrischen Eigenschaften der Modellschneidrolle und der Realschneidrolle (gegebenenfalls unter zusätzlicher Berücksichtigung von Eigenschaften des Gebirges bzw. des Gesteinsprobekörpers, der aus dem Gebirge gewonnen sein kann) ermittelt werden.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im kleinen Maßstab und somit anhand eines Modells ein Schneidversuch durchgeführt, der zum Beispiel rechnerisch bzw. empirisch auf den großen Maßstab und somit die Verhältnisse einer Tunnelbohrmaschine transferiert werden kann. Dadurch ist eine einfache Messapparatur bereitgestellt, mit der wichtige Informationen für den Tunnelbau (zum Beispiel ein mit einer Tunnelbohrmaschine erreichbarer Vortrieb in zu dem Gesteinsprobekörper ähnlichem Gebirge) und für die mechanische Charakterisierung von Gestein (insbesondere dessen Verhalten bei Schneiden mit einer Schneidrolle eines Abbauwerkzeugs) gewonnen werden können. Durch das Einspannen bzw. Einpassen des Gesteinsprobekörpers über seine gesamte Höhe hinweg in die Montageplattform derart, dass die zu schneidende Gesteinsoberfläche mit einer angrenzenden Oberfläche der Montageplattform bündig bzw. stetig, das heißt ohne Stufen oder sonstige Unstetigkeiten, abschließt, wird eine mechanisch kontinuierliche Struktur vermessen, mit der bei der Messung auftretende Randeffekte des kleindimensionierten Gesteinsprobekörpers weitgehend eliminiert werden können und somit die mechanischen Eigenschaften und Bedingungen eines im Wesentlichen unendlich ausgedehnten Gebirges realitätsnah simuliert werden können.
  • Somit wird erfindungsgemäß ein Messstand bereitgestellt, der insbesondere für die Penetrationsprognose einer Tunnelbohrmaschine oder für andere bohrtechnische Zwecke herkömmlichen geotechnischen Standardversuchen (einachsialer Druck und Spaltzugversuch) deutlich überlegen ist, allerdings wesentlich günstiger und praktikabler als ein Großschneidversuch ist. Hiermit ist es insbesondere möglich, Probekörper zu verwenden, die bereits in der Erkundungsphase von Großprojekten zur Verfügung stehen. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Durchführung eines Modellschneidversuches, der in einer herkömmlichen (zum Beispiel hydraulischen) Presse aufgebaut werden kann. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung sind herkömmliche Prüfstände nicht modular in eine solche insbesondere hydraulische Presse integrierbar, sondern eigene Versuchsstände. Exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung erlauben es, Schneidversuche im kleinen Maßstab an einem einfachen Modellschneidprüfstand auszuführen, welcher als Aufsatz für eine zum Beispiel hydraulische Standard-Presse konzipiert ist. Dies ermöglicht dann zum Beispiel das Ermitteln von für den Vortrieb einer Tunnelbohrmaschine indikativer Information mittels der durchgeführten Modellschneidmessung.
  • Randbedingungen, welche exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung erfüllen, sind:
    • Der Versuch ist hinsichtlich Probenbeschaffung, Probenvorbereitung, Durchführung und Auswertung einfach und praxistauglich.
    • Der Versuch ist sowohl am ungeschädigten, als auch am bereits vorgeschädigten Material (Zustand an der Tunnelortsbrust) durchführbar, und die Tiefe der Penetration ist hierfür überaus genau einstellbar.
    • Verschiedene Penetrationstiefen und Schneidspurabstände (das heißt Abstände zwischen Schnitten an demselben Gesteinsprobekörper) sind konzeptionell möglich.
  • Durch die Montanuniversität Leoben wurden acht Gesteinsarten mit erfindungsgemäßen Apparaturen untersucht, wobei bei drei davon Vergleichswerte aus großmaßstäblichen Schneidversuchen vorliegen. Es konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse des Modellschneidversuches mit den Großschneidversuchen gut, vor allem aber auch besser als andere geotechnische Kennwerte, korrelieren.
  • Im Weiteren werden zusätzliche exemplarische Ausführungsbeispiele der Modellschneidanordnung, der Modellieranordnung und des Verfahrens beschrieben.
  • Die Presse ist vorzugsweise eine hydraulische Presse. Unter einer hydraulischen Presse wird im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere eine Presse verstanden, die aus einer Saug- und Druckpumpe aufgebaut ist, die Druck ausübt, und einem Kolben, der den Druck empfängt, um ihn auf den zu pressenden Körper zu übertragen. Durch einen Hebel wird der Pumpenkolben gehoben und die Flüssigkeit (insbesondere des Hydrauliköls) des Behälters gelangt unter den Kolben. Der Einsatz einer hydraulischen Presse wird erfindungsgemäß insbesondere deswegen bevorzugt, da diese standardisiert mit geringen Kosten zur Verfügung steht und in vielen Labors verfügbar ist und gleichzeitig äußerst zuverlässig die großen Kräfte aufbringen kann, die für einen Modellschneidversuch erforderlich sind.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die als hydraulische Presse ausgebildete Presse ausgebildet sein, dass der Kraftmesskopf gegenüber einem Laborsystem in vertikaler Richtung insbesondere mittels eines Hydraulikzylinders der hydraulischen Presse bewegbar ist und die Montageplattform gegenüber dem Laborsystem in vertikaler Richtung ortsfest ist. Zum Beispiel kann ein Hydraulikzylinder den Kraftmesskopf nach unten bewegen und dadurch die Modellschneidrolle dem Gesteinsprobenkörper in der Montageplattform annähern. Während des Schneidens des Gesteinsprobenkörpers kann die Modellschneidrolle entlang einer vertikalen Oberfläche des Gesteinsprobenkörpers an dem Gesteinsprobenkörper abfahren. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, die Montageplattform gegenüber dem Laborsystem in vertikaler Richtung, insbesondere mittels des Hydraulikzylinders, zu bewegen und den Kraftmesskopf gegenüber dem Laborsystem in vertikaler Richtung ortsfest zu halten. Schließlich ist es auch möglich, während des Modellschneidversuchs die Montageplattform und den Kraftmesskopf aufeinander zu zu bewegen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die insbesondere hydraulische Presse ausgebildet sein, dass der Kraftmesskopf in der horizontalen Ebene bei Einwirkung einer seitlichen Belastung zu einer Ausgleichsbewegung fähig ist. Aufgrund der Kopplung zwischen Kraftmesskopf und der samt Halterung montierten Modellschneiddiske führt eine in der horizontalen Ebene ermöglichte freie Bewegung des Kraftmesskopfs dazu, dass ausschließlich Vertikalkräfte aufgebracht werden. Dadurch kann die Messung der vertikalen Anpresskraft der Modelldiske auf den Gesteinsprobekörper von Artefakten freigehalten werden, die aus Störungen oder Kräften in der horizontalen Ebene resultieren. Anders ausgedrückt ermöglicht dies, dass nur in vertikaler Richtung auf die Modellschneidrolle einwirkende Rollkräfte ("rolling force") in dem Kraftmesskopf detektiert werden. Diese Maßnahme kombiniert eine konstruktiv einfache Ausgestaltung mit einer hochpräzisen und fehlerrobusten Messung.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Kraftmesskopf ausgebildet sein, eine ausschließlich uniaxiale Kraftmessung, insbesondere ausschließlich in vertikaler Richtung, zu ermöglichen. Somit kann eine einzige, in den Kraftmesskopf integrierte einachsige Kraftmesszelle ausreichend sein, die gewünschte Wechselwirkungscharakteristik zwischen der Modellschneidrolle und dem Gesteinsprobekörper zu erfassen. Eine Erfassrichtung dieser einzigen Kraftmesszelle kann mit der vertikalen Richtung zusammenfallen. Somit kann eine einzige uniaxiale Kraftmesszelle ausreichend sein, die ausschließlich die Rollkraft der Modellschneidrolle misst.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Kraftmesskopf ausgebildet sein, ausschließlich eine auf die rotierfähig gelagerte Modellschneidrolle einwirkende Rollkraft zu messen. Die Kenntnis der Rollkraft einer Modellschneidrolle allein erlaubt einen aufschlussreichen Rückschluss auf die Verhältnisse beim Schneiden von Gebirge mit einer Realschneidrolle einer Tunnelbohrmaschine. Somit kann schnell und zuverlässig eine Prognose über die realen Verhältnisse in einer Tunnelbohrmaschine erstellt werden, ohne dass eine Messung im großen Maßstab erforderlich ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Modellschneidrolle in einem Lagergehäuse an dem Kraftmesskopf rotierfähig gelagert sein und eine umlaufende Schneidkante zum Schneiden des Gesteinsprobekörpers aufweisen. Zwar ist die Modellschneidrolle von einem motorischen Antrieb frei, der diese in Rotation versetzen würde, stattdessen ist die Modellschneidrolle aber wie eine Realschneidrolle aufgrund der Kräfte beim Schneiden von Gebirge bzw. dem Gesteinsprobekörper in Rotation versetzbar. Die vollumfängliche kreisförmige Schneidkante kann dann an verschiedenen Stellen auf das zu schneidende Gestein einwirken. Auf diese Weise ist mit der Modellschneidrolle eine realistische Simulation der Verhältnisse möglich, wie diese auch bei einer Realschneidrolle einer Tunnelbohrmaschine herrschen. Die Montage der Modellschneidrolle in dem Lagergehäuse kann zum Beispiel mittels eines Kugellagers und/oder eines Nadellagers und/oder eines (Kegel)rollenlagers erfolgen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Modellschneidrolle und das Lagergehäuse eine von dem Kraftmesskopf gemeinsam abnehmbare Einheit bilden. Vorzugsweise ist bei der Modellschneidanordnung eine Blende oder ein Blendensatz vorgesehen, hinter dem die in dem Lagergehäuse montierte Modellschneidrolle während eines Modellschneidversuchs geschützt angeordnet ist. Durch Abnehmen, insbesondere Abschrauben von Blende bzw. Blendensatz wird dann die Einheit aus Lagergehäuse und Modellschneidrolle zur Handhabung durch einen Benutzer freigelegt. Diese kann als Ganzes von der Modellschneidanordnung abgenommen werden oder in diese eingesetzt werden. Dies erlaubt eine einfache Montage und die zügige Durchführung von Modellschneidversuchen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Modellschneidrolle einen Durchmesser in einem Bereich zwischen ungefähr 0,5 Zoll und ungefähr 5 Zoll, insbesondere zwischen ungefähr 1 Zoll und ungefähr 3 Zoll, haben. Im Vergleich dazu hat eine Realschneidrolle typischerweise einen Durchmesser von 17 Zoll. Die Skalierung hin zu kleineren Größen einer Schneidrolle verändern die grundsätzlichen Aussagen über die Charakteristik eines Schneidversuchs nicht grundsätzlich, sondern modifizieren diese nur in ebenfalls skalierbarer und reproduzierbarer Weise. Dadurch kann im Wesentlichen ohne Erkenntnisverlust der Aufwand für den Modellschneidversuch reduziert werden. Zum Beispiel kann die gesamte Modellschneidrolle gegenüber der Realschneidrolle im Verhältnis 1:8 herunterskaliert sein. Allgemeiner ausgedrückt kann das Skalierungsverhältnis zwischen Modellschneidrolle und Realschneidrolle zum Beispiel in einem Intervall zwischen 1:2 und 1:10 liegen. Die Form von Modellschneidrolle und Realschneidrolle kann identisch sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Modellschneidanordnung eine Linearführeinrichtung aufweisen, welche den Kraftmesskopf derart führt, dass dieser nur entlang genau einer mittels der Linearführeinrichtung vorgegebenen, insbesondere vertikalen, Linearachse beweglich ist. Anders ausgedrückt kann der Kraftmesskopf samt Modellschneidrolle an einer Linearschiene montiert sein, so dass deren Bewegung auf die entsprechende Linearbewegung eingeschränkt ist. Diese gezielte Reduktion von Bewegungsfreiheitsgraden erlaubt wiederum das Ausschalten unerwünschter Kraftkomponenten und die Fokussierung auf eine gewünschte Kraftkomponente, insbesondere die vertikal auf die Modellschneidrolle einwirkende Rollkraft.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Modellschneidanordnung eine Eindringtiefeneinstelleinrichtung aufweisen, die zum Einstellen einer Eindringtiefe der Modellschneidrolle in den Gesteinsprobekörper ausgebildet ist. Aufgrund der verhältnismäßig geringen Dimension der Modellschneidrolle (im Vergleich zu einer Realschneidrolle) und in besonderer Weise des Gesteinsprobekörpers (im Vergleich zu einem Gebirge) ist es für ein aussagekräftiges Ergebnis eines Modellschneidversuchs von Vorteil, dass die mechanischen Verhältnisse in dem geschnittenen Gestein realistischen Verhältnissen in einem Gebirge entsprechen. Aus diesem Grund soll der Schneidversuch vorzugsweise an solchen Abschnitten des Gesteinsprobekörpers erfolgen, die ausreichend weit von Randbereichen des Gesteinsprobekörpers entfernt sind. Andernfalls würden Randeffekte die Messergebnisse verfälschen. Indem die Eindringtiefeneinstelleinrichtung eine zugelassene Eindringtiefe der Modellschneidrolle in den Gesteinsprobekörper beschränkt, können ausreichende Randabstände eingehalten und daher artefaktfreie Ergebnisse erhalten werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Eindringtiefeneinstelleinrichtung als Abstandshalter zwischen der Montageplattform und dem Kraftmesskopf ausgebildet sein. Mit anderen Worten beabstandet der mechanische Abstandhalter den Probekörper von der Modellschneidrolle so weit, dass ein unerwünscht tiefes Eindringen mechanisch verunmöglicht ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Eindringtiefeneinstelleinrichtung ausgebildet sein, die Eindringtiefe in einem Bereich zwischen ungefähr 1 mm und ungefähr 7 mm einzustellen. Diese Eindringtiefe ist geringer als die Eindringtiefe einer Realschneidrolle beim Schneiden von Gebirge, die zum Beispiel 12 mm betragen kann.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Montageplattform derart ausgebildet sein, dass im in dem Aufnahmevolumen aufgenommenen Zustand des Gesteinsprobekörpers dessen oberseitige Probekörperoberfläche mit einer daran direkt angeschlossenen oberseitigen Plattformoberfläche der Montageplattform unter Bildung einer gemeinsamen Oberfläche stetig abschließt. Alternativ oder ergänzend kann die Montageplattform derart ausgebildet sein, dass im in dem Aufnahmevolumen aufgenommenen Zustand des Gesteinsprobekörpers dessen seitliche, aufnahmevolumenaußenseitige Probekörperoberfläche mit einer daran direkt angeschlossenen seitlichen Plattformoberfläche der Montageplattform unter Bildung einer gemeinsamen Seitenfläche stetig abschließt. Das stetige Einpassen des Gesteinsprobenkörpers im dazu invers geformten Aufnahmevolumen erhöht die Messgenauigkeit. Durch den stetigen Übergang zwischen der Probekörperoberfläche und der sich daran vollumfänglich und unterbrechungsfrei anschließenden Plattformoberfläche ist die Krafteinleitung bzw. -übertragung von dem Gesteinsprobenkörper auf die Montageplattform (bzw. vice versa) sehr realistisch den Bedingungen in einem Gebirge nachempfunden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Montageplattform derart ausgebildet sein, dass im in dem Aufnahmevolumen aufgenommenen Zustand des Gesteinsprobekörpers dessen gesamte unterseitige Probekörperoberfläche und/oder dessen gesamte seitliche, aufnahmevolumeninnenseitige Probekörperoberfläche eine korrespondierenden Oberfläche der Montageplattform direkt kontaktiert und an dieser (insbesondere durchgehend oder unterbrechungsfrei) immobilisiert ist. Die im an der Montageplattform aufgenommenen Zustand des Gesteinsprobenkörpers nach außen hin nicht mehr sichtbare Oberfläche des Gesteinsprobenkörpers kann vollflächig und kontaktbehaftet an einer Gegenoberfläche der Montageplattform fixiert (zum Beispiel verklebt bzw. einzementiert) sein, womit auch im Inneren der Kompositanordnung aus Montageplattform und Gesteinsprobenkörper keine mechanischen Unstetigkeiten auftreten, welche im Wege von Randeffekten die Messung an dem Gesteinsprobenkörper stören würden. Durch ein bodenflächiges und/oder in seitlicher Richtung großflächig kontaktbehaftetes und unbewegliches Aufnehmen des Gesteinsprobekörpers in einem entsprechend geformten und dimensionierten Aufnahmevolumen der Montageplattform können aus Randeffekten resultierende Artefakte wirksam unterdrückt werden. Somit kann eine vollflächige Kontaktierung zwischen der gesamten Bodenfläche des Gesteinsprobekörpers und der Montageplattform sowie zwischen der gesamten, in die Montageplattform eingepassten Seitenfläche des Gesteinsprobenkörpers und der Montageplattform ausgebildet werden. Randeffekte können dadurch weiter unterdrückt werden und die Kraftkopplung zwischen Gesteinsprobenkörper und Montageplattform kann dadurch weiter verbessert werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Modellschneidanordnung den zu vermessenen Gesteinsprobekörper aufweisen (der somit Teil der Modellschneidanordnung sein kann), der in dem Aufnahmevolumen der Montageplattform immobilisiert aufgenommen ist, so dass der Gesteinsprobekörper entlang seiner gesamten Vertikalerstreckung passgenau in das Aufnahmevolumen der Montageplattform kontaktbehaftet eingepasst ist. Die Anordnung des einen Teil der Modellschneidanordnung bildenden Gesteinsprobekörpers kann darüber hinaus so erfolgen, wie in einem oder beiden der vorangehenden Absätze beschrieben.
  • Wenn der Gesteinsprobenkörper in dem Aufnahmevolumen der Montageplattform aufgenommen ist, können Gesteinsprobenkörper und Montageplattform gemeinsam eine im Wesentlichen quaderförmige Gestalt einnehmen.
  • Der Gesteinsprobenkörper und das Aufnahmevolumen können zueinander inverse Gestalt haben, so dass der Gesteinsprobenkörper in das Aufnahmevolumen eingepasst werden kann, ohne dass der darin aufgenommene Gesteinsprobenkörper in irgendeiner Richtung über die Montageplattform übersteht, sondern stattdessen bündig mit dieser abschließt.
  • Der Gesteinsprobenkörper kann halbkreiszylinderförmig sein. Entsprechend kann das Aufnahmevolumen ein halbkreiszylinderförmiger Hohlraum sein und hinsichtlich seiner Dimension auf den Gesteinsprobenkörper angepasst sein. Ist ein solcher halbkreiszylinderförmiger Gesteinsprobenkörper in ein halbkreiszylinderförmiges Aufnahmevolumen aufgenommen, so berühren sich gekrümmte Mantelflächen der beiden halbkreiszylinderförmigen Strukturen, wohingegen eine ebene, rechteckförmige Mantelfläche des halbkreiszylinderförmigen Gesteinsprobenkörpers einen Teil der Außenfläche der Anordnung aus Gesteinsprobenkörper und Montageplattform bilden kann. Bodenseitig kann der Gesteinsprobenkörper vollflächig in Kontakt mit der Montageplattform sein und auch dort an dieser, zum Beispiel mittels Klebens oder Einzementierens, immobilisiert sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Modellieranordnung eine Datenbank (zum Beispiel gespeichert auf einem Speichergerät wie einer Festplatte) aufweisen, in der Referenz-Datensätze gespeichert sind, die eine Korrelation zwischen mittels der Modellschneidanordnung an Referenz-Gesteinsprobekörpern eines jeweiligen Referenz-Gebirges gemessenen, für die jeweilige Schneidkraft indikativen Referenz-Parameter einerseits und für den zugehörigen Vortrieb der mit der jeweiligen Realschneidrolle betriebenen Tunnelbohrmaschine in dem jeweiligen Referenz-Gebirge indikativen Referenz-Parameter andererseits enthalten. Der Prozessor (zum Beispiel ein Mikroprozessor oder eine zentrale Recheneinheit, CPU) kann ausgebildet sein, einen Vortrieb der mit der Realschneidrolle betriebenen Tunnelbohrmaschine beim Abbau des Gebirges basierend auf dem mittels der Modellschneidanordnung an dem Gesteinsprobekörper erfassten, für die Schneidkraft indikativen Parameter sowie basierend auf den Referenz-Datensätzen zu prognostizieren. Um eine zuverlässige Prognose abgeben zu können, wie sich eine Realschneidrolle bei Montage an einer Tunnelbohrmaschine zum Abbau von Gebirge verhält, ist es erfindungsgemäß möglich, einen Modellschneidversuch mit einer Modellschneidrolle an einem dem Gebirge entsprechen Gesteinsprobekörper durchzuführen. Als Ergebnis dieses Modellschneidversuchs erhält man dann den für die Schneidkraft indikativen Parameter, insbesondere den Wert der Rollkraft, welche während des Schneidens zwischen dem Gesteinsprobekörper und der Modellschneidrolle wirkt. Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispiel kann nun auf Referenzdatensätze, die statisch oder dynamisch in einer Datenbank gespeichert sind, zurückgegriffen werden, um zum Beispiel denjenigen Datensatz (oder diejenigen Datensätze) zu ermitteln, welche die größte Ähnlichkeit zu einem aktuell durchgeführten Modellschneidversuch hat. Da dieser Datensatz (oder diese Datensätze) neben den Werten eines Referenz-Modellschneidversuchs zusätzlich zugeordnete Werte eines Referenz-Realschneidversuchs (erhalten aus dem Abbau von Gebirge, dessen Material dem Gesteinsprobekörper des Referenz-Modellschneidversuchs entspricht, mittels einer Realschneidrolle einer Tunnelbohrmaschine) enthält, können die Werte des Referenz-Realschneidversuchs herangezogen werden, um auch für den vorliegenden Modellschneidversuch eine aussagekräftige Prognose abzugeben, zum Beispiel in Bezug auf einen erreichbaren Vortrieb mit der Tunnelbohrmaschine.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Gesteinsprobekörper aus einer Kernbohrung an dem Gebirge erhalten werden. Bei der Erkundung eines Tunnelbauprojekts in einem Gebirge wird standardmäßig eine Kernbohrung durchgeführt, bei der insbesondere kreiszylindrische Gesteinsproben (zum Beispiel mit einem Durchmesser von 10 cm und einer Länge von 20 cm) genommen werden. Diese stehen somit in großer Menge und mit geringem Aufwand zur Verfügung. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden solche Gesteinsproben dazu verwendet, den Modellschneidversuch durchzuführen. Entsprechend kann die Montageplattform - und insbesondere das Aufnahmevolumen - konfiguriert sein. Solche Gesteinsproben können unverändert eingesetzt werden, oder vor Durchführung des Modellschneidversuchs modifiziert, zum Beispiel halbiert, werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Gesteinsprobekörper als Halbkreiszylinder aus dem Gebirge erhalten werden. Hierfür kann die zylindrische Gesteinsprobe, die aus der Kernbohrung erhalten wird, in zwei gleich große Teile gespalten werden und dann in das Aufnahmevolumen aufgenommen werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Gesteinsprobekörper in zumindest einer Dimension, insbesondere in allen Dimensionen, eine Ausdehnung in einem Bereich zwischen ungefähr 5 cm und ungefähr 20 cm aufweisen, insbesondere in einem Bereich zwischen ungefähr 7 cm und ungefähr 13 cm. Zum Beispiel kann der Gesteinsprobekörper einen Durchmesser von 10 cm und eine Länge von 9 cm haben. Gegenüber einer Gesteinsprobe aus einer Kernbohrung kann somit der Probegesteinskörper halbiert und abgelängt werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Gesteinsprobekörper in dem Aufnahmevolumen der Montageplattform einzementiert werden. Durch das Einzementieren oder Einkleben des Gesteinsprobekörpers in die Montageplattform ohne Spalte, Hohlräume oder sonstige materialfreie Zwischenräume zwischen Gesteinsprobekörpers und Montageplattform kann, insbesondere wenn die Montageplattform aus (vorzugsweise massivem) Stahl hergestellt ist, dem kleinvolumigen Gesteinsprobekörper Eigenschaften verliehen werden, die jenen in einem quasi-unendlichen Gebirge entsprechen. Anders ausgedrückt können dadurch Randeffekte weiter eingedämmt oder vermieden werden, und dadurch kann die Aussagekraft der erhaltenen Messergebnisse weiter verbessert werden.
  • Die Modellschneidanordnung kann so konfiguriert werden, dass eine Maximalbelastung, die auf die Modellschneidrolle einwirkt, einen vorbestimmten Grenzwert nicht überschreitet.. Auf diese Weise kann eine Zerstörung der Modellschneidrolle bzw. anderer Komponenten der Modellschneidanordnung durch Überbelastung vermieden werden.
  • Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die folgenden Abbildungen detailliert beschrieben.
    • Fig. 1 zeigt eine erste räumliche Ansicht einer Modellschneidanordnung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • Fig. 2 zeigt eine zweite räumliche Ansicht der Modellschneidanordnung gemäß Fig. 1.
    • Fig. 3 bis Fig. 5 zeigen jeweils eine Querschnittsansicht eines Teils der Modellschneidanordnung gemäß Fig. 1.
    • Fig. 6 bis Fig. 9 zeigen, wie ein Gesteinsprobekörper in eine Montageplattform der Modellschneidanordnung gemäß Fig. 1 einzementiert wird.
    • Fig. 10 und Fig. 11 zeigen Diagramme, die einen Zusammenhang zwischen Eindringtiefe und Rollkraft einer Modelldiske während Modellschneidversuchen mit der Modellschneidanordnung gemäß Fig. 1 bis Fig. 5 zeigen.
    • Fig. 12 zeigt eine Tunnelbohrmaschine mit einem Bohrkopf mit einer Vielzahl von Abbauwerkzeugen mit Realdisken, die gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung gesteuert wird.
    • Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Durchführen von Schneidversuchen an einem Gesteinsprobekörper mittels einer hydraulischen Presse zum Ermitteln von Modelldaten zum Modellieren des Vorgangs des Abbaus von Gebirge mittels einer Realschneidrolle an einem Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine und zum Prognostizieren des Vortriebs einer Tunnelbohrmaschine beim Abbau von Gebirge gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • Fig. 14 zeigt das Aussehen einer vertikalen Außenfläche eines Gesteinsprobekörpers nach Durchführung eines Modellschneidversuchs in einem in die Montageplattform einzementierten Zustand.
  • Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Abbildungen sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Bevor die Figuren näher beschrieben werden, soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung noch in allgemeiner Form beschrieben werden.
  • Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird ein Modellgesteinschneidtest durchgeführt, indem eine standardisierte oder herkömmliche hydraulische Presse, wie sie in Labors zur Untersuchung der Gesteinsmechanik üblicherweise zur Verfügung steht, lediglich punktuell mit Zusatzkomponenten versehen wird. Rotierfähige Diskenschneider werden zum mehrmaligen Schneiden von Gesteinsproben mit der Möglichkeit verwendet, die Eindringtiefe und/oder den Eindringabstand einzustellen. Hierfür können Standardprobegrößen, wie sie bereits in der Frühphase von Tunnelbauprojekten üblicherweise zur Verfügung stehen, eingesetzt werden, so dass dieser Test auch für die Voraussage der Leistungsfähigkeit (zum Beispiel eines erreichbaren Vortriebs) des Betriebs der Tunnelbohrmaschine verwendet werden kann. Die Ergebnisse des Modellschneidtests können dann mit Linearschneidtests mit Diskenschneidern realer Größe und mit geotechnischen Standardwerten (wie zum Beispiel die uniaxiale Druckfestigkeit und die indirekte Zugfestigkeit) verglichen werden. Die Qualität der Ergebnisse, die mit einem solchen Modellgesteinsschneidtest gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung erhalten werden kann, ist geotechnischen Standardtests überlegen. Ferner sind mit einer erfindungsgemäßen Modellschneidanordnung durchgeführte Tests gleichzeitig billiger und einfacher durchzuführen als Gesteinsschneidtests mit Diskenschneidern realer Größe.
  • Die Ausgestaltung eines Modellgesteinsschneidtests gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann dahingehend erfolgen, dass die Geometrie der Gesteinsproben so ausgewählt wird, dass sie bereits in einer frühen Phase eines Tunnelprojekts zur Verfügung stehen. Das Einspannen der Gesteinsproben sollte zu vergleichbaren mechanischen Eigenschaften bzw. Bedingungen führen, wie sie in quasi-unendlichem Gestein herrschen. Es kann ferner ein rotierfähiger skalierter bzw. modellierter Diskenschneider mit einer realistischen Geometrie verwendet werden. Die Eindringtiefe oder Penetration ist sehr präzise einstellbar. Ferner ist zusätzlich zu einer Kraftmesszelle in einer hydraulischen Presse keine weitere Messausrüstung erforderlich.
  • Um diese Rahmenbedingungen zu erfüllen, verwendet ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung einen kreiszylindrischen Gesteinskern mit einem Durchmesser von 10 cm, der zu einer halbkreiszylindrischen Gesteinsprobe mit einer Höhe von ungefähr 9 cm zugeschnitten werden kann, da der maximale Hub einer typischen hydraulischen Presse 10 cm beträgt. Die Größe des skalierten oder modellierten Diskenschneiders kann so ausgewählt werden, dass sie zu der Größe des Probekörpers passt, ohne dass Risse bis zu einem Rand der Probe hinreichen. Zum Beispiel kann ein Stahlschneider mit einer gehärteten (z.B. karbonitrierten) Oberfläche verwendet werden, der im Wesentlichen ein 1:8 Modell einer typischen Diske mit einem Durchmesser von 17 Zoll darstellt.
  • Während der Montage kann der Diskenschneider aufgeheizt und dann auf eine Welle aufgeschrumpft werden, die auf ein kombiniertes Nadel-/Kugellager aufgesetzt werden kann, um eine ausreichende maximale Belastungskapazität und eine ungestörte Rotation zu ermöglichen. Das Schneidgehäuse wird dann auf einer Linearführung angeordnet, die einen geradlinigen Schneidpfad definiert, wenn der Schneider in den Probekörper eingeführt wird. Der Probenhalter bzw. die Montageplattform kann ein steifer Stahlblock sein, in den die Gesteinsprobe mit einem zweikomponentigen Epoxidharz einzementiert werden kann, um eine optimale Einspannung zu ermöglichen. Er kann mit Bolzen oder dergleichen entweder in einer zentralen Position oder mit einem Offset auf sein Gegenstück aufgesetzt werden, um wechselwirkende Schneidvorgänge mit einer Beabstandung dazwischen zu simulieren. Abstandshalter aus Stahl können zwischen Probenhalter und Diskenschneider angeordnet werden, um es zu ermöglichen, die gewünschte Eindringtiefe des Schneiders einzustellen. Eine Last kann über ein Lasteinleitungselement angelegt werden, das in einer horizontalen Richtung frei beweglich sein kann. Dadurch kann sichergestellt werden, dass Kräfte nur in Schneidrichtung wirken.
  • Wünschenswerte Eindringtiefen können für eine solche Apparatur in einem Bereich zwischen 1 mm und 3 mm liegen. Daher kann für alle beweglichen Teile (insbesondere für Lager) ein geringes Spiel ausreichend sein, um Ergebnisse negativ zu beeinträchtigen. Ein Spiel von zum Beispiel ±0,2 mm würde eine Streuung im Bereich von ±20 % bewirken, wenn die Eindringtiefe 1 mm beträgt. Daher ist die Auswahl der Lager, deren Herstelltoleranzen und der Prozess des Zementierens des Probekörpers in seinen Halter mit hoher Präzision durchzuführen.
  • Fig. 1 und Fig. 2 zeigen räumliche Ansichten einer Modellschneidanordnung 10 zum Durchführen von Schneidversuchen an einem halbkreiszylindrischen Gesteinsprobekörper 12 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Anhand von Querschnittsansichten der Modellschneidanordnung 10, die in Fig. 3 (ohne Gesteinsprobekörper 12) und Fig. 5 (mit Gesteinsprobekörper 12) gezeigt sind, sind weitere Details erkennbar. Derartige Schneidversuche können zum Ermitteln von Modelldaten zum Modellieren des Vorgangs des Abbaus von Gebirge, dessen Material jenem des Gesteinsprobekörpers 12 entspricht, mittels einer Realschneidrolle (die auch Tunnelbohrmaschine-Schneidrolle genannt werden kann, siehe Fig. 12) an einem Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine verwendet werden.
  • Die Modellschneidanordnung 10 verwendet eine Modellschneidrolle 20 (die zum Beispiel einen Kreisdurchmesser von 56 mm aufweisen kann), die wie eine an einer tatsächlichen Tunnelbohrmaschine eingesetzte Realschneidrolle (die zum Beispiel einen Durchmesser von 17 Zoll aufweisen kann) ausgebildet ist, allerdings im Maßstab 1:8 gegenüber einer Realschneidrolle herunterskaliert bzw. verkleinert ist. Damit ist erfindungsgemäß ein sehr einfacher, kleindimensionierter Modellschneidversuch ermöglicht, der Aufschlüsse über einen Schneidprozess von Gebirge mittels der Realschneidrolle erlaubt, ohne dass ein tatsächliches Experiment mit der Realschneidrolle an einem Bohrkopf einer Tunnelbohrmaschine an dem Gebirge durchgeführt werden muss. Der Transfer der Ergebnisse des Modellschneidversuchs auf die Verhältnisse einer Tunnelbohrmaschine und somit einer Realschneidrolle kann empirisch (d.h. auf Basis von experimentell erfassten Datensätzen) und/oder rechnerisch (d.h. auf der Basis von mathematischen und/oder physikalischen Modellen) erfolgen.
  • Basis der Modellschneidanordnung 10 ist eine an sich bekannte hydraulische Presse 14, wie sie in vielen Labors standardmäßig zur Verfügung steht. Diese wird erfindungsgemäß konfiguriert, um als Modellschneidanordnung 10 dienen zu können. Aus der Möglichkeit, durch einfache Modifizierung einer herkömmlichen hydraulischen Presse 14 eine funktionsfähige Modellschneidanordnung 10 bereitstellen zu können, resultiert der signifikante Vorteil von Ausführungsbeispielen der Erfindung, demzufolge der Aufwand für einen Modellschneidversuch sehr gering gehalten werden kann. Die hydraulische Presse 14 enthält als ihre beiden grundlegenden Komponenten einen vertikal (d.h. nach oben bzw. nach unten) beweglichen Kraftmesskopf 18 und einen vertikal unbeweglichen (das heißt bezüglich der zugehörigen Koordinate ortsfesten) und horizontal unbeweglichen (d.h. in der Ebene senkrecht zu der Vertikalen) Montageplattform 16.
  • Eine Modellschneidrolle 20 (oder verkleinerte Diske), die gegenüber der Realschneidrolle (oder originalen Diske) eine zum Beispiel im Maßstab 1:8 verringerte Dimension aufweist, dient anschaulich als Modell für die Realschneidrolle und ist zum Schneiden des Gesteinsprobekörpers 12 ausgebildet, wenn sie mit ausreichender Antriebskraft auf den Gesteinsprobenkörper 12 gedrückt wird. Die Modellschneidrolle 20 ist an dem Kraftmesskopf 18 montiert.
  • Die Montageplattform 16 ist als Stahlform ausgebildet, in der ein hohles halbkreiszylindrisches Aufnahmevolumen 30 zum kontaktbehafteten und immobilisierten Aufnehmen des entsprechend geformten und dimensionierten halbkreiszylindrischen Gesteinsprobekörpers 12 ausgebildet ist. Der Gesteinsprobekörper 12 wird entlang seiner gesamten Vertikalerstreckung (das heißt entlang seiner gesamten Höhe H) passgenau in das Aufnahmevolumen 30 (Höhe L) der Montageplattform 16 kontaktbehaftet eingepasst, wie in Fig. 1 und Fig. 5 gezeigt. Im in dem Aufnahmevolumen 30 aufgenommenen Zustand des Gesteinsprobekörpers 12 schließt dessen oberseitige Probekörperoberfläche 71 mit einer daran direkt angeschlossenen oberseitigen Plattformoberfläche 73 der Montageplattform 16 unter Bildung einer gemeinsamen Oberfläche stetig ab und schließt dessen seitliche, aufnahmevolumenaußenseitige Probekörperoberfläche 75 mit einer daran direkt angeschlossenen seitlichen Plattformoberfläche 77 der Montageplattform 16 unter Bildung einer gemeinsamen Seitenfläche stetig ab. Dies ist besonders gut in Fig. 5 zu erkennen. Die gesamte verbleibende Oberfläche 79, 61 des Gesteinsprobekörpers 12 ist mit einer korrespondierenden Oberfläche 81, 63 der Montageplattform 16 direkt in Kontakt und an dieser immobilisiert (vgl. hierzu auch Fig. 6 und Fig. 8).
  • Genauer gesagt berührt die gesamte gekrümmte Mantelfläche 79 des Gesteinsprobekörpers 12 eine korrespondierende Oberfläche 81 der Stahlform und ist an dieser, zum Beispiel mittels Zementierens oder Festklebens, fest angebracht, so dass durch die Modellschneidrolle 20 eingeleitete Lasten an die Stahlform weitergegeben werden. Ferner kontaktiert eine Bodenfläche 71 des Gesteinsprobekörpers 12 eine Bodenfläche 63 des Aufnahmevolumens 30. Durch eine derartige rigide Kopplung zwischen Montageplattform 16 und dem Gesteinsprobenkörper 12 können die Verhältnisse in einem realen Gebirge mechanisch realistisch simuliert werden, da die dortige im Wesentlichen unendliche Ausdehnung von Gestein durch die feste Einspannung bzw. Einpassung des kleinen Gesteinsprobenkörpers 12 hinsichtlich der mechanischen Lastübertragung mit guter Präzision nachgebildet wird.
  • In Fig. 4 ist zu erkennen, wie die Montageplattform 16 ohne eingesetzten Gesteinsprobenkörper 12 aussieht.
  • Die andere Hauptkomponente der hydraulischen Presse 14 ist der Kraftmesskopf 18, an dessen Unterseite die Modellschneidrolle 20 fest und kraftschlüssig montiert bzw. durch einen Benutzer montierbar ist. Der Kraftmesskopf 18 ist so ausgebildet, dass bei Schneiden des Gesteinsprobekörpers 12 mittels der an seiner Unterseite montierten Modellschneidrolle 20 ein für die Schneidkraft indikativer Parameter erfassbar ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der für die Schneidkraft indikative Parameter die in vertikaler Richtung wirkende Rollkraft, die beim Schneiden auf die Modellschneidrolle 20 einwirkt. Dringt also die Modellschneidrolle 20 durch hydraulisch getriebenes Herunterfahren des statischen Kraftmesskopfs 18 in Richtung der Montageplattform 16 in eine planare, vertikal orientierte und freiliegende Oberfläche 75 des Gesteinsprobekörpers 12 ein und schneidet dabei das Gesteinsmaterial ähnlich wie eine Realschneidrolle einer Tunnelbohrmaschine in abzubauendes Gebirge einschneidet, so erfasst eine in Fig. 5 gezeigte uniaxiale Kraftmesszelle 40 die vertikale Rollkraft.
  • Die hydraulische Presse 14 ist ausgebildet, dass der Kraftmesskopf 18 relativ zu der ortsfesten Montageplattform 16 mittels eines Hydraulikzylinders gegenüber dem Laborsystem in vertikaler Richtung, d.h. in einer Richtung parallel bzw. antiparallel zu der Gravitationskraft, bewegbar ist. Die Modellschneidanordnung 10 weist zum Definieren der Bewegungsrichtung des Kraftmesskopfs 18 eine Linearführung 26 auf. Der Kraftmesskopf 18 ist aber derart aufgehängt, dass eine Ausgleichsbewegung in der horizontalen Ebene, d.h. in der Ebene senkrecht zur Vertikalen, ermöglicht ist. Bei seitlichen Störkräften ist also eine freie Ausgleichsbewegung des Kraftmesskopfs 18 ermöglicht, so dass solche Störkräfte keinen unerwünschten Einfluss auf den erfassten Parameter haben. Entsprechend ist der Kraftmesskopf 18 ausgebildet, eine ausschließlich uniaxiale Kraftmessung ausschließlich in vertikaler Richtung zu ermöglichen. Im Speziellen ist der Kraftmesskopf 18 ausgebildet, ausschließlich die auf die rotierfähig gelagerte Modellschneidrolle 20 einwirkende Rollkraft zu messen.
  • Die Modellschneidrolle 20 ist in einem Lagergehäuse 22 an dem Kraftmesskopf 18 rotierfähig gelagert und weist eine umlaufende Schneidkante 24 zum Schneiden des Gesteinsprobekörpers 12 auf. Dies ist in Fig. 3 und in Fig. 5 gut zu erkennen. Die Modellschneidrolle 20 und das Lagergehäuse 22 bilden eine von dem Kraftmesskopf 18 gemeinsam abnehmbare Einheit. Damit ist die Montage einer Einheit aus einer Modellschneidrolle 20 und eines zugehörigen Lagergehäuses 22 auf die Modellschneidanordnung 10 mit wenigen Handgriffen bewerkstelligbar. Zum Demontieren der Einheit ist es ausreichend, mittels Lösens von Schraubverbindungen 44 Blenden 42 von der Modellschneidanordnung 10 abzunehmen und nachfolgend die Einheit aus der Modellschneidanordnung 10 herauszuziehen.
  • Die maximale Eindringtiefe der Modellschneidrolle 20 in den Gesteinsprobenkörper 12 wird durch einen Abstandshalter 28 auf zum Beispiel 7 mm beschränkt, indem der Abstandshalter 28 aufgrund seiner geometrischen Ausdehnung einen minimalen Abstand zwischen der Montageplattform 16 und dem Kraftmesskopf 18 vorgibt. Durch Konfiguration des Abstandshalters 28 ist somit auch eine genaue Einstellung der Eindringtiefe möglich.
  • Fig. 1 bis Fig. 5 zeigen auch, dass Schrauben 51 durch Aufnahmeöffnungen 53 in der Montageplattform 16 hindurchgeführt sind, um die Montageplattform 16 an einem Stützkörper 55 zu befestigen. Es ist auch möglich, Schrauben 51 an Langlöchern 57 zu befestigen, um den Gesteinsprobenkörper 12 entlang der Rotationsachse der Modellschneidrolle 20 zu verschieben und somit Modellschneidversuche an unterschiedlichen Positionen durchführen zu können. Insbesondere kann dann die Wechselwirkung eines ersten Schneidversuchs mit einem zweiten Schneidversuch untersucht werden.
  • Fig. 6 bis Fig. 9 zeigen, wie der aus einer Kernbohrung eines Tunnelbauprojekts stammende Gesteinsprobenkörper 12 bearbeitet wird, um ihn umfänglich kontaktbehaftet und immobilisiert in dem in Fig. 4 gezeigten Aufnahmevolumen 30 der Montageplattform 16 passgenau einzufügen.
  • Aus einer solchen Kernbohrung stammende Gesteinsproben haben häufig eine kreiszylindrische Form. Zum Beispiel können diese eine Länge von 20 cm und einen Durchmesser von 10 cm haben.
  • Um eine derartige Gesteinsprobe als Gesteinsprobenkörper 12 für die Modellschneidanordnung 10 nutzbar zu machen, kann diese in zwei halbkreiszylinderförmige Körper gespalten werden. Diese können dann optional noch gekürzt werden, zum Beispiel auf einen Halbkreiszylinder der Länge 9 cm und des Durchmessers 10 cm. Ein entsprechend erhaltener Gesteinsprobenkörper 12 ist in Fig. 6 gezeigt, wobei dessen gekrümmte Mantelfläche 79 und dessen untere Deckfläche71 mit Zement bestrichen gezeigt sind. Mittels des Zements wird der Gesteinsprobenkörper 12 dann, wie in Fig. 7 gezeigt, formschlüssig in das Aufnahmevolumen 30 eingepasst und dort mittels des aushärtenden Zements oder eines anderen Klebemittels starr befestigt. Ergebnisse der beschriebenen Prozedur sind in Fig. 7 in einer Draufsicht sowie in Fig. 9 in einer Seitenansicht gezeigt. Fig. 8 zeigt die Montageplattform 16 ohne Gesteinsprobenkörper 12, wobei eine das Aufnahmevolumen 30 begrenzende Wandung der Montageplattform 16 mit Zement bestrichen gezeigt ist.
  • Um die Anordnung gemäß Fig. 9 zu erhalten, wird also der Gesteinsprobenkörper 12 gemäß Fig. 6 in das Aufnahmevolumen 30 gemäß Fig. 8 entlang seiner vollen Höhe H eingepasst. Anders ausgedrückt ist die Höhe H des Gesteinsprobenkörpers 12 gleich der Höhe L des Aufnahmevolumens 30. Dann schließt, wie Fig. 7 und Fig. 9 zu entnehmen ist, die halbkreisförmige Deckfläche 71 des Gesteinsprobenkörpers 12 bündig oder stetig mit der angrenzenden Deckfläche 73 der Montageplattform 16 ab, und es schließt die rechteckförmige Seitenfläche75 des Gesteinsprobenkörpers 12 bündig oder stetig mit der angrenzenden Seitenfläche 77 der Montageplattform 16 ab.
  • Ist die Modellschneidrolle 20 an dem Kraftmesskopf 18 montiert und ist der Gesteinsprobenkörper 12 an der Montageplattform 16 befestigt, kann mit der Messung der Rollkraft begonnen werden. Ergebnisse solcher Messungen sind in Fig. 10 und in Fig. 11 gezeigt.
  • Fig. 10 zeigt ein Diagramm 300, bei dem entlang einer Abszisse 302 eine Eindringtiefe bzw. ein Verfahrabstand aufgetragen ist, wohingegen entlang einer Ordinate 304 eine gemessene Rollkraft aufgetragen ist. Die Messung gemäß Fig. 10 bezieht sich auf eine Gesteinsprobe aus Brixner Granit, wobei der Schnitt am ungeschädigten Material vollführt wurde.
  • Fig. 11 zeigt ein Diagramm 400, bei dem entlang einer Abszisse 302 wiederum eine Eindringtiefe bzw. ein Verfahrabstand aufgetragen ist, wohingegen entlang einer Ordinate 304 wiederum eine gemessene Rollkraft aufgetragen ist. Die Messung gemäß Fig. 11 bezieht sich ebenfalls auf die Gesteinsprobe aus Brixner Granit, wobei ein zweiter Schnitt an demselben Probekörper wie gemäß Fig. 10 vollführt wurde.
  • Fig. 12 zeigt eine Tunnelbohrmaschine 180 zum Abbauen eines Gebirges 102, in das bereits ein Bohrloch 182 eingebracht worden ist. Das Bohren erfolgt derart, dass das Bohrloch 182 gemäß Fig. 12 nach rechts hin sukzessive erweitert wird. Dem Fachmann ist bekannt, dass eine Tunnelbohrmaschine 180 eine Vielzahl von Komponenten aufweist. Aus Gründen der Anschaulichkeit ist in Fig. 1 aber lediglich ein Bohrkopf 150 mit einer Vielzahl von (zum Beispiel 50 bis 100) Abbauwerkzeugen 100 gezeigt. Genauer ausgedrückt, weist der Bohrkopf 150 einen rotatorisch und translatorisch gegenüber dem Gebirge 102 bewegbaren Bohrkörper 152 auf, an dessen vorderseitiger oder gebirgeseitiger Stirnseite eine Vielzahl von Abbauwerkzeughalterungen oder -aufnahmen 154 angebracht sind. Diese sind über die kreisförmige Stirnfläche des Bohrkörpers 152 hinweg verteilt, was in der Querschnittsansicht von Fig. 12 nur teilweise zu erkennen ist. Jede der Abbauwerkzeughalterungen 154 ist zum Haltern eines jeweiligen Abbauwerkzeugs 100 eingerichtet. Anders ausgedrückt kann ein Abbauwerkzeug 100 in jeder der Abbauwerkzeughalterungen 154 montiert werden.
  • Jedes der Abbauwerkzeuge 100 weist eine an dem Bohrkopf 150 montierbare Diskenbefestigungseinrichtung 104 mit einem Aufnahmelager zum Aufnehmen und Lagern einer rotierfähigen Diske 106 auf, die ebenfalls Teil des Abbauwerkzeugs 100 ist. Die Diske 106 wird auch als Realschneidrolle bezeichnet und hat einen Durchmesser von 17 Zoll.
  • Jede Diskenbefestigungseinrichtung 104 hat eine Diskenaufnahme 194, die als eine Art Topf ausgestaltet sein kann, der speziell dafür konfiguriert ist, eine Diske 106 als auswechselbares Modul aufzunehmen. Befestigungsschrauben 110 bilden weitere Komponenten der Diskenbefestigungseinrichtung 104.
  • Wenn eine Diske 106 an einer jeweiligen Diskenbefestigungseinrichtung 104 montiert ist, kann eine umfängliche Schneidkante 124 der jeweiligen Diske 106 im rotierendem Zustand zum Abbauen des Gebirges 102 an Letzteres angreifen. Die Diske 106 ist in dem Aufnahmelager der Diskenbefestigungseinrichtung 104, bzw. genauer gesagt in der Diskenaufnahme 194, auswechselbar aufgenommen.
  • Die Diske 106 weist eine Achse 120 auf, auf welcher ein Lager und darauf ein Rollengrundkörper 122 mit Schneidring 124 befestigt ist, welcher über das Gestein abrollen kann. Der Rollengrundkörper 122 hat eine umfängliche Schneidkante in Form von Schneidring 124, die im rotierenden Zustand das Gebirge 102 schneidet, bohrt oder abträgt. Ein Lager 126 der Diske 106 ist zum Aufnehmen der Achse 120 konfiguriert. Der gesamte Bohrkopf 150 wird (zum Beispiel mittels eines Elektromotors 184) angetrieben, die Diske 106 selbst folgt dieser Bewegung, sie rollt also nur ab.
  • Ein wichtiger Betriebsparameter zum Betreiben der Tunnelbohrmaschine 180 ist deren Vortriebsleistung, d.h. Menge des abgetragenen Gesteins pro Zeiteinheit. Um diese zu prognostizieren, können zunächst Modellschneidversuche (vergleiche Beschreibung zu Fig. 1 bis Fig. 11) an Modellschneidrollen 20 durchgeführt werden. Aus den ermittelten Rollkräften kann dann der Vortrieb der Tunnelbohrmaschine 180 rechnerisch prognostiziert werden, wobei das Größenverhältnis zwischen Modellschneidrolle 20 und Realschneidrolle oder Diske 106 zu berücksichtigen ist. Ergebnisse des Modellschneidversuchs können auch dazu verwendet werden, die Steuerung der Tunnelbohrmaschine 180 mittels einer Steuereinheit 128 vorzunehmen.
  • Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm 550 eines Verfahrens zum Durchführen von Schneidversuchen an einem Gesteinsprobekörper 12 mittels einer hydraulischen Presse 14 zum Ermitteln von Modelldaten zum Modellieren des Vorgangs des Abbaus von Gebirge 102 mittels einer Realschneidrolle 106 an einem Bohrkopf 150 einer Tunnelbohrmaschine 180 und zum Prognostizieren des Vortriebs der Tunnelbohrmaschine 180 beim Abbau von Gebirge 102 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Bevor eine solche Prognose erstellt wird, wird zunächst für eine Anzahl von n (ganze Zahl, zum Beispiel mindestens 10) Tunnelbauprojekten jeweils ein Modellschneidversuch 500 an einer Modellschneidrolle 20 der Modellschneidanordnung 10 (siehe Fig. 1 bis Fig. 11) und eine zugehörige Realmessung 502 an einer Realschneidrolle 106 der Tunnelbohrmaschine 180 (siehe Fig. 12) durchgeführt. Für den Modellschneidversuch 500 wird ein Gesteinsprobenkörper 12 verwendet, der aus Gebirge 102 extrahiert wird, in dem die Tunnelbohrmaschine 180 die Realmessung 502 durchführt.
  • In einer Datenbank 54 werden dann Datensätze 56 gespeichert, die aus den beschriebenen Messungen gewonnen werden. Jeder der Datensätze 56 weist ein Paar von Daten auf. Das erste Datum eines jeweiligen Paars enthält Angaben zu Modelldiske 20, Gesteinsprobekörper 12, ermittelter Schneidkraft und Penetration des zugehörigen Modellschneidversuchs 500. Das zweite Datum eines jeweiligen Paars enthält Angaben zu Realdiske 106, Gebirge 102 und Vortrieb der Tunnelbohrmaschine 180. Je mehr Paare von Daten in der Datenbank 54 gespeichert sind, umso genauer kann eine zukünftige Prognose für ein neues Tunnelbauprojekt m sein.
  • Im Falle eines neuen Tunnelbauprojekts m wird zunächst ein Modellschneidversuch 504 an einem zugehörigen Gesteinsprobekörper 12 des bei dem neuen Tunnelbauprojekts m zu bearbeitenden Gebirges 102 durchgeführt. Parameter dieses Modellschneidversuchs 504 werden einem Prozessor 52 zugeführt. Diese Parameter enthalten Angaben zu Modelldiske 20, Gesteinsprobenkörper 12, ermittelter Schneidkraft und Penetration des zugehörigen Modellschneidversuchs 504. Der Prozessor 52 durchsucht die Datenbank 54 nach einem oder mehreren ersten Daten, die mit den Parametern des Modellschneidversuchs 504 bestmöglich übereinstimmen. Basierend hierauf kann, insbesondere auf Basis des jeweiligen zweiten Datums des oder der am besten passenden ersten Daten eine Prognose 506 hinsichtlich eines erreichbaren Vortriebs der Tunnelbohrmaschine 150 abgegeben werden.
  • Fig. 14 zeigt das Aussehen einer vertikalen Außenfläche 75 des Gesteinsprobekörpers 12 nach Durchführung eines Modellschneidversuchs in einem in die Montageplattform 16 einzementierten Zustand. Auch eine horizontale Deckfläche 71 des Gesteinsprobenkörpers 12 ist in Fig. 14 zu erkennen. Ferner ist in einem zentralen Abschnitt 95 der horizontalen Deckfläche 71 des Gesteinsprobenkörpers 12 von Fig. 14 die Beschädigung des Gesteins durch die Einwirkung der in Fig. 14 nicht gezeigten Modellschneidrolle 20 zu erkennen. Eine Schneidrichtung, entlang welcher die Modellschneidrolle 20 auf der vertikalen, ebenen Außenfläche 75 des Gesteinsprobenkörpers 12 während des Modellschneidversuchs abrollt, ist in Fig. 14 mit Bezugszeichen 97 gekennzeichnet.
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims (15)

  1. Modellschneidanordnung (10) zum Durchführen von Schneidversuchen an einem Gesteinsprobekörper (12), wobei die Modellschneidanordnung (10) aufweist:
    eine insbesondere hydraulische Presse (14), die eine Montageplattform (16) und einen Kraftmesskopf (18) aufweist, die relativ zueinander bewegbar sind;
    eine Modellschneidrolle (20), die zum Schneiden des Gesteinsprobekörpers (12) ausgebildet ist;
    wobei die Montageplattform (16) mit einem Aufnahmevolumen (30) zum immobilisierten Aufnehmen des Gesteinsprobekörpers (12) derart ausgebildet ist, dass im in dem Aufnahmevolumen (30) aufgenommenen Zustand des Gesteinsprobekörpers (12) der Gesteinsprobekörper (12) im Wesentlichen entlang seiner gesamten Vertikalerstreckung (H) passgenau in das Aufnahmevolumen (30) der Montageplattform (16) kontaktbehaftet eingepasst ist;
    wobei der Kraftmesskopf (18) zum Montieren der Modellschneidrolle (20) und ferner derart ausgebildet ist, dass bei Schneiden des Gesteinsprobekörpers (12) mittels der montierten Modellschneidrolle (20) ein für die Schneidkraft indikativer Parameter erfassbar ist.
  2. Modellschneidanordnung (10) gemäß Anspruch 1, wobei die insbesondere hydraulische Presse (14) ausgebildet ist, dass der Kraftmesskopf (18) gegenüber einem Laborsystem in vertikaler Richtung, insbesondere mittels eines Hydraulikzylinders, bewegbar ist und die Montageplattform (16)gegenüber dem Laborsystem in vertikaler Richtung ortsfest ist.
  3. Modellschneidanordnung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die insbesondere hydraulische Presse (14) ausgebildet ist, dass der Kraftmesskopf (18) in der horizontalen Ebene bei Einwirkung einer seitlichen Belastung zu einer Ausgleichsbewegung fähig ist.
  4. Modellschneidanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kraftmesskopf (18) ausgebildet ist, eine ausschließlich uniaxiale Kraftmessung, insbesondere ausschließlich in vertikaler Richtung, durchzuführen.
  5. Modellschneidanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kraftmesskopf (18) ausgebildet ist, ausschließlich eine auf die rotierfähig gelagerte Modellschneidrolle (20) einwirkende Rollkraft zu messen.
  6. Modellschneidanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Modellschneidrolle (20) in einem Lagergehäuse (22) an dem Kraftmesskopf (18) rotierfähig gelagert ist und eine umlaufende Schneidkante (24) zum Schneiden des Gesteinsprobekörpers (12) aufweist,
    wobei insbesondere die Modellschneidrolle (20) und das Lagergehäuse (22) eine von dem Kraftmesskopf (18) gemeinsam abnehmbare Einheit bilden.
  7. Modellschneidanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend eine Linearführeinrichtung (26), welche den Kraftmesskopf (18) derart führt, dass dieser nur entlang genau einer mittels der Linearführeinrichtung vorgegebenen, insbesondere vertikalen, Linearachse beweglich ist.
  8. Modellschneidanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend eine Eindringtiefeneinstelleinrichtung (28), die zum Einstellen einer Eindringtiefe der Modellschneidrolle (20) in den Gesteinsprobekörper (12) ausgebildet ist,
    wobei insbesondere die Eindringtiefeneinstelleinrichtung als Abstandshalter (28) zwischen der Montageplattform (16) und dem Kraftmesskopf (18) ausgebildet ist.
  9. Modellschneidanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Montageplattform (16) derart ausgebildet ist, dass im in dem Aufnahmevolumen (30) aufgenommenen Zustand des Gesteinsprobekörpers (12) dessen oberseitige Probekörperoberfläche (71) mit einer daran direkt angeschlossenen oberseitigen Plattformoberfläche (73) der Montageplattform (16) unter Bildung einer gemeinsamen Oberfläche stetig abschließt und/oder dessen seitliche, aufnahmevolumenaußenseitige Probekörperoberfläche (75) mit einer daran direkt angeschlossenen seitlichen Plattformoberfläche (77) der Montageplattform (16) unter Bildung einer gemeinsamen Seitenfläche stetig abschließt.
  10. Modellschneidanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Montageplattform (16) derart ausgebildet ist, dass im in dem Aufnahmevolumen (30) aufgenommenen Zustand des Gesteinsprobekörpers (12) dessen gesamte unterseitige Probekörperoberfläche (61) und/oder dessen gesamte seitliche, aufnahmevolumeninnenseitige Probekörperoberfläche (79) eine korrespondierenden Oberfläche (63, 81) der Montageplattform (16) direkt kontaktiert und an dieser immobilisiert ist.
  11. Modellschneidanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, aufweisend den Gesteinsprobekörper (12), der in dem Aufnahmevolumen (30) der Montageplattform (16) immobilisiert aufgenommen ist, so dass der Gesteinsprobekörper (12) im Wesentlichen entlang seiner gesamten Vertikalerstreckung (H) passgenau in das Aufnahmevolumen (30) der Montageplattform (16) kontaktbehaftet eingepasst ist.
  12. Modellieranordnung (50) zum Ermitteln von Modelldaten zum Modellieren des Vorgangs des Abbaus von Gebirge (102) mittels einer Realschneidrolle (106) an einem Bohrkopf (150) einer Tunnelbohrmaschine (180), wobei die Modellieranordnung (50) aufweist:
    eine Modellschneidanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Durchführen von Schneidversuchen mittels der Modellschneidrolle (20), die gegenüber der Realschneidrolle (106) eine verringerte Dimension aufweist, an einem Gesteinsprobekörper (12), der insbesondere aus dem Gebirge (102) gewonnen ist;
    einen Prozessor (52), der ausgebildet ist, basierend auf mittels der Modellschneidanordnung (10) erfassten, für die Schneidkraft indikativen Parametern sowie basierend auf geometrischen Eigenschaften der Modellschneidrolle (20) und der Realschneidrolle (106) die Modelldaten zu ermitteln.
  13. Modellieranordnung (50) gemäß Anspruch 12,
    aufweisend eine Datenbank (54), in der Referenz-Datensätze (56) gespeichert sind, die eine Korrelation zwischen mittels der Modellschneidanordnung (10) an Referenz-Gesteinsprobekörpern (12) eines jeweiligen Referenz-Gebirges (102) gemessenen, für die jeweilige Schneidkraft indikativen Probereferenz-Parameter einerseits und für den zugehörigen Vortrieb der mit der jeweiligen Realschneidrolle (106) betriebenen Tunnelbohrmaschine (180) in dem jeweiligen Referenz-Gebirge (102) indikativen Gebirgsreferenz-Parameter andererseits enthalten;
    wobei der Prozessor (52) ausgebildet ist, einen Vortrieb der mit der Realschneidrolle (106) betriebenen Tunnelbohrmaschine (180) beim Abbau des Gebirges (102) basierend auf dem mittels der Modellschneidanordnung (10) an dem Gesteinsprobekörper (12) erfassten, für die Schneidkraft indikativen Parameter sowie basierend auf den Referenz-Datensätzen (56) zu prognostizieren.
  14. Verfahren zum Durchführen von Schneidversuchen an einem Gesteinsprobekörper (12) mittels einer insbesondere hydraulischen Presse (14) zum Ermitteln von Modelldaten zum Modellieren des Vorgangs des Abbaus von Gebirge (102) mittels einer Realschneidrolle (106) an einem Bohrkopf (150) einer Tunnelbohrmaschine (180), wobei das Verfahren aufweist:
    Montieren einer Modellschneidrolle (20), die gegenüber der Realschneidrolle (106) eine verringerte Dimension aufweist und die zum Schneiden des Gesteinsprobekörpers (12) ausgebildet ist, an einem Kraftmesskopf (18) der insbesondere hydraulischen Presse (14);
    immobilisiertes Aufnehmen des Gesteinsprobekörpers (12) in einem Aufnahmevolumen (30) einer Montageplattform (16) der insbesondere hydraulischen Presse (14) derart, dass der Gesteinsprobekörper (12) im Wesentlichen entlang seiner gesamten Vertikalerstreckung (H) passgenau in das Aufnahmevolumen (30) der Montageplattform (16) kontaktbehaftet eingepasst ist;
    Bewegen der Montageplattform (16) und des Kraftmesskopfs (18) relativ zueinander, so dass der Gesteinsprobekörper (12) mittels der montierten Modellschneidrolle (20) geschnitten wird;
    Messen eines für die Schneidkraft indikativen Parameters mittels des Kraftmesskopfs (18) beim Schneiden des Gesteinsprobekörpers (12) mittels der montierten Modellschneidrolle (20);
    Ermitteln der Modelldaten basierend auf dem gemessenen Parameter sowie basierend auf geometrischen Eigenschaften der Modellschneidrolle (20) und der Realschneidrolle (106).
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei der Gesteinsprobekörper (12) aus einer Kernbohrung an dem Gebirge (102) erhalten wird,
    wobei der Gesteinsprobekörper (12) als Halbkreiszylinder insbesondere aus dem Gebirge (102) erhalten wird, und/oder
    wobei der Gesteinsprobekörper (12) in zumindest einer Dimension, insbesondere in allen Dimensionen, eine Ausdehnung in einem Bereich zwischen 5 cm und 20 cm aufweist, insbesondere in einem Bereich zwischen 7 cm und 13 cm, und/oder wobei der Gesteinsprobekörper (12) in dem Aufnahmevolumen der Montageplattform (16) einzementiert, insbesondere eingeklebt, wird.
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